Механика от античности до наших дней

ОБЩИЕ УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ МЕХАНИКИ

Во второй половине XIX — начале XX в. характер теоретической механики несколько изменился. Предыдущее поколение непосредственно примыкало к основателям аналитической механики, особенно к Эйлеру и Лагранжу Новое поколение механиков исходило из результатов, по лученных в первой половине века главным образом Гамильтоном, Остроградским и Якоби. Оно пользовалось гораздо более разветвленным математическим аппаратом, воспринимало новые физические идеи, связанные в первую очередь с законом сохранения энергии, и отражало в своих работах более сложные требования практики.

В целом развитие механики во второй половине XIX в. отличается еще большей дифференциацией и широтой размаха мысли, чем в предыдущий период. Теперь задачи механики все чаще приводят к созданию новых математических понятий и к проникновению в механику понятий, появившихся в физике; при этом в рамках классической механики возникают некоторые предпосылки релятивистских идей, принадлежащих нашему столетию.

В десятилетия, протекшие с середины XIX в. до Великой Октябрьской революции, русские ученые принимали деятельное участие в разработке многих актуальных проблем механики, а в решение некоторых из них внесли основной вклад.

В рассматриваемое время продолжались исследования по теории гидроскопа, восходящие к Эйлеру. Завершающим в известном смысле явилось открытие в 1888 г. С.В. Ковалевской нового случая вращения твердого тела вокруг неподвижной точки, породившее обширную литературу.

Гораздо более широкий размах и глубину получили работы по устойчивости равновесия и движения материальных систем. Английский ученый Э. Раус (1831—1907) в 1877 г. успешно применил к рассмотрению устойчивости движения метод малых колебаний, использованный еще Лагранжем в задаче об устойчивости равновесия. Вскоре результаты Рауса были далеко перекрыты фундаментальными исследованиями А.М. Ляпунова (1892). Несколько ранее с другой точки зрения подошел к задаче об устойчивости движения Н.Е. Жуковский (1882). Постановка задачи об устойчивости движения и строгие методы ее решения, предложенные Ляпуновым, приобрели затем большое значение и в технике. Во Франции в 80-е и 90-е годы той же проблематикой успешно занимался А. Пуанкаре (1854—1912).

Теория малых колебаний находила все более и более важные приложения в технике. В этой связи упомянем пока лишь работы по динамике процессов регулирования И.А. Вышнеградского (1877 г. и позднее) и широко известные труды А.Н. Крылова по качке корабля и другим техническим вопросам.

В самом конце XIX в. И.В. Мещерский положил начало новому направлению в механике переменных масс, все значение которого выявилось уже в наше время — в эпоху развитого ракетостроения, искусственных спутников и космических кораблей. Созданная Мещерским динамика переменной массы лежит в основе современной теории реактивного движения. В это же время, на рубеже XIX—XX вв., замечательный вклад в теорию ракет внес К.Э. Циолковский. Крупные и разнообразные изыскания проведены были по механике жидкостей и газов. Так, было продолжено изучение задачи об обтекании твердого тела (Г. Кирхгоф, Д. Ж. Рэлей, Д.К. Бобылев, Н.Е. Жуковский, В.А. Стеклов и др.) и задачи Дж. Стокса о движении твердого тела, содержащего внутри жидкие массы (Гельмгольц, Нейман, Жуковский, Стеклов); рассмотрено явление гидравлического удара (Жуковский); создана гидродинамическая теория смазки (Петров, Рейнольдс). Решающую роль в дальнейшем развитии аэродинамики сыграла разработка учения о вихревых движениях (Гельмгольц и др.)» широко развитого и использованного рядом русских ученых. Н.Е. Жуковский и С.А. Чаплыгин получили первые фундаментальные результаты в изучении подъемной силы крыла для случая идеальной жидкости, результаты, которые легли в основу авиационной науки. Эти же два ученых явились создателями крупнейшей советской школы аэродинамики и газовой динамики.

Большой цикл работ был посвящен фигурам равновесия вращающейся жидкости и вопросу их устойчивости — проблемам, которые изучали еще Клеро и другие ученые XVIII в. В рассматриваемое время ими занимались А. Пуанкаре и А.М. Ляпунов, причем последний получил наиболее полные и точные результаты. Мы бегло очертили только некоторые основные направления развития механических наук, оставив пока в стороне замечательные работы по теории упругости и ее приложениям, по баллистике и другие, к которым еще вернемся.

Эволюция механики во второй половине XIX в. отражала происшедшие в это время и несколько ранее сдвиги в производстве. Новые исследования в теории упругости и сопротивления материалов были вызваны интенсивным строительством мостов, железных дорог и развитием машиностроения. Конструирование и распространение все более сложных механизмов и машин создало возможность развития новых методов экспериментальной и прикладной механики. Важные механические задачи встали при строительстве военного и торгового флота.

В начале XX в. бурный рост исследований по аэродинамике был обусловлен развитием авиации и выдвинутых ею проблем физического, расчетного и конструкторского характера. Изучение процессов, происходящих при движении со звуковыми и сверхзвуковыми скоростями, диктовалось ростом дальности артиллерийской стрельбы. Возникновение газовой динамики также связано с баллистикой, хотя расцвет этой науки падает уже на наше время и вызван в первую очередь тем, что скорости реактивных самолетов стали превышать скорость звука в воздухе. Вместе с тем выдвинутые в процессе развития науки новые глубокие, граничащие с физикой и астрономией проблемы механики потребовали дальнейшей разработки как принципиальных основ этой науки, так и методов математического исследования.

Во второй половине XIX в. механика, весьма разнообразная по своей проблематике, более или менее отчетливо разделяется на теоретическую и прикладную. Теоретическая механика разрабатывалась в России главным образом на университетских кафедрах прикладной математики и в Академии наук, прикладная (техническая) механика — преимущественно в высших технических учебных заведениях и меньше в университетах. Что касается принципиальных положений механики и основных ее понятий, то они рассматривались только спорадически, и важнейшие работы по этим вопросам принадлежат физикам.

Расширение круга конкретных задач потребовало прежде всего разработки математического аппарата. Не случайно поэтому проблемы общей механики разрабатывались именно на кафедрах прикладной математики. Многие проблемы механики, после того как было осмыслено их физическое содержание, стали задачами чисто математическими. Не удивительно, что им уделяли внимание математики, однако специфика задач механики подчас их интересовала мало. Во многих случаях проблемы механики явились лишь толчком к разработке новых и углублению старых математических методов. Этим и объясняется то, что в рассматриваемый период, когда речь идет о решении частных задач, трудно указать грань между математикой и механикой.

Таким образом, исследования в области механических наук развивались под воздействием: 1) запросов практики и техники, 2) внутренней логики развития механики, 3) влияния научных школ и традиций на кафедрах, 4) запросов смежных наук.

Удельный вес указанных факторов в конкретном развитии, постановке и решении каждой отдельной проблемы был различным. Однако если рассматривать механику как науку о некоторых явлениях (т. е. оставив вне поля зрения техническую механику, которая применяет результаты механики к конкретным задачам техники), то можно отметить вполне закономерную тенденцию.

Начальная стадия развития механики, точно так же как и других наук о природе, была связана прежде всего с конкретной технической (в широком смысле слова) проблематикой, определявшейся данными историческими условиями. В дальнейшем направление и характер этого процесса стали зависеть не только от запросов техники, но и от внутренней логики развития науки, обусловленной самим предметом познания и спецификой применяемых методов исследования. В этот единый, внутренне связанный процесс развития механики ученые отдельных стран в зависимости от уровня развития этой науки в той или иной стране вносили тот или иной вклад.

Чтобы понять процесс развития механики в России, необходимо рассмотреть его в этом общем потоке мирового развития.

При всей специфичности русских условий русские механики работали не изолированно, а в неразрывной связи с мировой наукой.

В течение всего XIX в. международные связи русских ученых, работавших в области теоретической и прикладной механики, были весьма разнообразны. Это были личные контакты, осуществлявшиеся при поездках М.В. Остроградского во Францию или научных командировках П.Л. Чебышева, Н.П. Петрова и других во Францию, Англию, Германию, профессорская деятельность С.В. Ковалевской в Стокгольме, участие Н.Е. Жуковского и А.М. Ляпунова в международных съездах, участие А.Н. Крылова в работах Английского общества инженеров-судостроителей, а также переписка русских ученых со многими учеными Западной Европы.

Ученые России принимали участие в международных дискуссиях по спорным проблемам. Упомянем дискуссию последователей И.А. Вышнеградского с французским ученым Лекорню по вопросам автоматического регулирования, дискуссию А.М. Ляпунова и Дж. Дарвина, закончившуюся победой первого, выяснение основ аэродинамики Н.Е. Жуковским совместно с Л. Прандтлем, Т. Карманом и т. д.

Иностранные ученые высоко ценили многие работы русских механиков. Укажем хотя бы на премию, присужденную Французской академией наук С.В. Ковалевской за работу о вращении твердого тела, оценку трудов А.М. Ляпунова о фигурах равновесия вращающейся жидкости, данную А. Пуанкаре и Дж. Джинсом, исключительно высокую оценку гидродинамиками всего мира работ Н.П. Петрова по гидродинамической теории смазки (данную А. Зоммерфельдом), награждение Английским обществом судостроителей золотой медалью А.Н. Крылова за его основополагающие исследования по теории корабля. Нередко, однако, работы русских ученых оставались либо вовсе неизвестными, либо малоизвестными на Западе, а это порой приводило к повторному открытию западноевропейскими учеными того, что уже было найдено в России. Так было с рядом работ Остроградского, с исследованиями Циолковского, Мещерского и некоторыми другими.

Быстро развивавшаяся в России механика, уверенно завоевавшая почетное место в мировой науке, сталкивалась с серьезными препятствиями. Царское правительство и его учреждения крайне скупо субсидировали научно-исследовательские работы, тормозя тем самым в первую очередь развитие экспериментальных исследований. Не случайно поэтому экспериментальные исследования выполнялись главным образом на средства частных лиц или обществ. П.Л. Чебышев тратил собственные средства на то, чтобы конструировать механизмы, Н.Е. Жуковский проводил многие опыты в Московском техническом училище на свои личные средства и на средства Общества содействия успехам опытных наук и их практических применений им. X. С. Леденцова. Некоторые лаборатории по аэродинамике были созданы благодаря материальной поддержке отдельных частных лиц и общественных научных организаций.

Положительное влияние на развитие механики в России оказала деятельность научных обществ, возникших в рассматриваемый период в университетских городах: Московское и другие математические общества, общества естествоиспытателей, Русское техническое общество, всероссийские съезды естествоиспытателей и врачей и другие способствовали коллективному обсуждению вопросов.

Промышленность и транспорт во второй половине XIX в. настоятельно нуждались в руководителях и инженерах высокой квалификации. Это способствовало росту специального технического и университетского образования. В конце XIX в. в России было 11 высших технических учебных заведений, в которых обучалось 5500 студентов; военных инженеров готовили в основанных в 1855 г. Артиллерийской и Инженерной академиях. В первой половине XIX в. в России было всего три специальных высших технических учебных заведения. В результате развития высшего технического и университетского образования возросло число лиц, занимающихся научно-педагогической деятельностью в области естественных и технических наук, а также объем исследовательских работ, в частности в области механики. Появлялись новые журналы, формировались отдельные школы, обеспечившие внутреннюю преемственность в развитии идей и проблематики.

Эти общие черты развития механики во второй половине XIX — начале XX в. создали необходимые условия для дальнейшего улучшения постановки преподавания механики в высших учебных заведениях России.

МЕХАНИКА В ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

С 30-х годов XIX в. начал быстро повышаться уровень преподавания механики в Московском университете, стала вестись исследовательская работа. В Петербургском университете курс механики с 1819 по 1846 г. читал профессор Д.С. Чижов (1785—1853), лекции которого не отличались ни глубиной, ни яркостью. Не лучше было поставлено и преподавание математики. Положение дел на физико-математическом факультете резко изменилось с приходом в Петербургский университет И.И. Сомова и несколько позднее — В.Я. Буняковского (1804—1889) и П.Л. Чебышева.

Иосиф Иванович Сомов (1815—1876) учился в московской гимназии, а затем поступил на физико-математический факультет Московского университета, который окончил в 1835 г. В студенческие годы Сомов начал подготовку кандидатской работы «Теория определенных алгебраических уравнений высших степеней», которая была издана в Москве в 1838 г. С 1839 г. началась педагогическая деятельность Сомова. После защиты в Москве магистерской диссертации «Об интегралах алгебраических иррациональных дифференциалов с одной переменной» (1841) он был приглашен в Петербургский университет, где в течение 35 лет вел различные математические и механико-математические курсы. В 1847 г. Сомов защитил в Петербургском университете докторскую диссертацию «Аналитическая теория волнообразного движения эфира» и был утвержден в звании профессора прикладной математики.

За эту работу ему была присуждена Демидовская премия Академии наук, которую он получил также ранее за упомянутую монографию по алгебре. Демидовской премии удостоено было и его сочинение «Основания теории эллиптических функций» (1851).

Избранный в 1862 г., после смерти Остроградского, на место последнего в число ординарных академиков, Сомов опубликовал в изданиях Академии наук большое число мемуаров, главным образом по теоретической механике.

В своем творчестве И.И. Сомов последовательно переходил от математики к проблемам теоретической механики и обратно, применял результаты, полученные в области аналитической механики, к собственно математическим проблемам. Целый ряд его работ, опубликованных в 60-е годы в «Записках» Академии наук, в равной мере интересен для механики и для дифференциальной геометрии. Это статьи «Об ускорениях различных порядков» (1864), «Прямой способ для выражения дифференциальных параметров первого и второго порядка и кривизны поверхности в каких-либо координатах ортогональных или косоугольных» (1865) и некоторые другие. В геометрию и механику Сомов успешно вводил приемы векторного исчисления. Применяя к проблемам механики результаты своих исследований по теории эллиптических функций, Сомов провел до конца все вычисления в задаче о вращении твердого тела вокруг неподвижной точки в рассмотренных ранее случаях. Сомову принадлежат ценные результаты в теории малых колебаний системы около положения устойчивого равновесия. Изучая этот вопрос в статье «Об алгебраическом уравнении, с помощью которого определяются малые колебания материальных точек» (1859), он исправил ошибку, допущенную ранее Даламбером и Лагранжем.

Стержневая идея научного творчества Сомова — объединение чистой математики и проблем теоретической механики — была центральной и в его педагогической деятельности. Он говорил, что «для современного преподавания нужно устранить навсегда разделение науки на математику чистую и математику прикладную». Эта идея Сомова получила воплощение в его курсе «Рациональной механики» (СПб., 1872—1874), в предисловии к которому и содержатся приведенные слова.

В учебнике Сомова впервые в нашей литературе проведено общепринятое теперь разделение механики последовательно на кинематику, статику и динамику (ранее механику делили на две части: статику и динамику). Выделение кинематики имело большое значение для развития теории механизмов. В курсе Сомова подробно рассмотрен метод криволинейных координат, притяжение эллипсоидом внутренней и внешней точки и т. д. В 1878 г. это руководство появилось в немецком переводе.

Второй большой «Курс аналитической механики» (т. 1—2. СПб., 1880—1884), также вышедший из стен Петербургского университета, принадлежит Дмитрию Константиновичу Бобылеву (1842—1917), обучавшемуся в Михайловской артиллерийской академии. В 1876 г. Бобылев был приглашен доцентом механики в Петербургский университет; два года спустя, после защиты докторской диссертации по электростатике, его утвердили в звании профессора. С 1878 г. он преподавал механику также и в Институте инженеров путей сообщения. В 1896 г. научные заслуги Бобылева были отмечены избранием его в члены-корреспонденты Академии наук. Из оригинальных работ Бобылева особенно интересны исследования по гидродинамике. Он рассмотрел гидродинамическое давление жидкости (1873), дал с помощью метода Кирхгофа решение «задачи Бобылева» о давлении струйного потока на стенки обтекаемого клина (1881); ему принадлежит оригинальная формулировка теоремы живых сил для вязкой жидкости и обобщение теоремы Кориолиса на случай подвижной среды. Д.К. Бобылев был талантливым педагогом. Среди многих выдающихся механиков и инженеров, им воспитанных, особенно выделяются А.М. Ляпунов, И.В. Мещерский и Г.К. Суслов.

Курс практической механики с 1866 г. в Петербургском университете читал М.Ф. Окатов (1829—1901), окончивший в 1848 г. Московский университет. Магистерская диссертация Окатова, защищенная в 1865 г. в Москве, была посвящена аналитической теории равновесия различных механических систем, докторская (1867), как и большинство его последующих работ, — теории упругости.

В Московском университете, после выхода в 1864 г. в отставку Брашмана курс теоретической механики недолго читал В.Я. Цингер (1836—1907), а с 1866 г. Ф.А. Слудский (1841—1897). Слудский окончил университет в 1860 г. и был оставлен при кафедре астрономии. В 1865 г. он представил две докторские диссертации: одну по астрономии и другую — «О равновесии и движении жидкости при взаимодействии ее частиц». Лекции по теоретической механике Слудский вел в течение 20 лет — до 1886 г. На этих лекциях сказалось влияние Остроградского, Брашмана и Сомова. В предисловии к своему «Курсу теоретической механики» (М., 1881) Слудскийсам подчеркивал, что, высоко ценя аналитический метод изложения, он следовал в преподавании примерам Остроградского и Брашмана. Впрочем, Слудский вводил и чисто геометрические представления, признавая некоторую ограниченность аналитического метода.

Курс практической механики в Московском университете вел с 1874 г. ученик Брашмана и Давыдова профессор Ф.Е. Орлов (1843—1892). В свою очередь учеником Слудского и Орлова был Н.Е. Жуковский, сменивший Слудского на кафедре теоретической механики в 1886 г.

Воспитанники Московского и Петербургского университетов работали в других высших учебных заведениях России. Наиболее выдающимися механиками Киевского университета, открытого в 1835 г., были И.И. Рахманинов, Г.К. Суслов и П.В. Воронец. И. И Рахманинову принадлежит курс «Основания теоретической динамики», опубликованный в 1872—1873 гг.

Большой курс теоретической механики был написан Г.К. Сусловым (1857—1935). По окончании Петербургского университета Суслов был оставлен при университете для подготовки к профессорской деятельности. В 1888 г., после защиты магистерской диссертации «Об уравнениях с частными производными для несвободного движения», Суслов был избран экстраординарным профессором механики Киевского университета. В 1891 г. он защитил при Московском университете докторскую диссертацию «О силовой функции, допускающей данные частные интегралы». В этой работе Суслов изучал так называемую прямую задачу динамики — определение сил по заданным свойствам движения. В работе Суслова дается общий прием решения этой задачи для систем с произвольным числом степеней свободы при условии, что заданные силы обладают силовой функцией. П.В. Воронец (1871—1922), развивая идеи Чаплыгина, дал обобщенное дифференциальное уравнение движения неголономных систем.

В Киеве же работал с 1858 г. на кафедре физики М.И. Талызин (родился в 1819 г. — год смерти неизвестен), в 1840 г. окончивший Петербургский университет. Темой магистерской диссертации его была теория приливов и отливов (1843); ему принадлежат также исследования по общим принципам механики.

В Харьковском университете преподавание механики началось только в 1807 г., причем согласно уставу 1804 г., руководство всеми разделами механики выполнялось кафедрой прикладной математики; этим объясняется тот факт, что из всех русских университетских кафедр механики кафедра Харьковского университета была наиболее математической. В рассматриваемый период механику здесь читали И.Д. Соколов и воспитанник Казанского университета В.Г. Имшенецкий (1832—1892). Основная работа Имшенецкого по механике посвящена задаче Ж. Бертрана (1822—1900), которую он решил до конца в статье «Определение силы, движущей по коническому сечению материальную точку, в функции ее координат» (1879). В 1882 г. Имшенецкий был избран академиком и переехал в Петербург. Возглавлявшаяся им кафедра теоретической механики была замещена лишь в 1885 г. А.М. Ляпуновым. В 1902 г. Ляпунова сменил его ученик по Харьковскому университету В.А. Стеклов.

В Казанском университете лекции по теоретической механике долгое время читал Николай Иванович Лобачевский (1792—1856). В 1885 г. созданную в то время кафедру прикладной математики занял профессор П.И. Котельников (1809—1879), который начал читать лекции по аналитической механике и статике. С 1879 по 1889 г. преподавание теоретической механики в Казанском университете вел ученик Слудского И.С. Громека (1851—1889), работа которого «Некоторые случаи движения несжимаемой жидкости» (1881) содержит новую форму уравнений гидродинамики, выраженных через компоненты вихря. С 1889 по 1893 г. теоретическую механику преподавал Г.Н. Шебуев — горячий сторонник векторного изложения, а с 1892/1893 учебного года — Д.Н. Зейлигер и А.П. Котельников.

Если в университетах основное внимание обращалось на проблемы теоретической механики, то в научной работе, проводившейся в технических учебных заведениях, нашли отражение вопросы промышленной, а также военной техники.

В Московском техническом училище многие годы исключительно плодотворно работал Н.Е. Жуковский. В Петербургской артиллерийской академии исследованиями по баллистике занимался профессор Н.В. Маиевский, окончивший в 1843 г. Московский университет. Основная работа Маиевского относится к изучению законов движения вращающихся продолговатых снарядов. В той же Артиллерийской академии и в Петербургском технологическом институте работал профессор И.А. Вышнеградский, много сделавший для развития технического обучения в России. Ему, как уже говорилось, принадлежит ряд работ по теории автоматического регулирования. С Военно-морской академией связаны работы замечательного механика, судостроителя и математика А.Н. Крылова. В Петербургском и Киевском политехнических институтах работал крупный специалист по теории упругости и сопротивлению материалов С.П. Тимошенко, в 1900 г. окончивший Петербургский университет.

После этого краткого обзора состояния преподавания механики в высшей школе перейдем к рассмотрению важнейших достижений русских ученых в области теоретической и прикладной механики.

ТЕОРИЯ МЕХАНИЗМОВ

В рассматриваемый период в России было положено начало теории одного из важнейших отделов прикладной механики — теории механизмов. Это было сделано в середине XIX в. П.Л. Чебышевым. В области математики ему принадлежат основополагающие результаты по теории чисел, теории вероятностей, интегрированию иррациональных функций и созданию новой теории наилучшего приближения функций. К этой теории Чебышев пришел, отправляясь от некоторых практических задач теории механизмов. Для механика имя Чебышева связано прежде всего с его работами в этом направлении и в меньшей степени — с работами по баллистике.

Пафнутий Львович Чебышев (1821—1894) родился в с. Окатове Калужской губернии, учился дома, а затем поступил в Московский университет, где слушал лекции Н.Д. Брашмана, привлекшего талантливого студента к самостоятельной научной работе. В 1841 г. Чебышев окончил университет, через два года вышла в свет его первая научная работа, а в 1845 г. он защитил магистерскую диссертацию по теории вероятностей. С 1847 г. Чебышев начал читать лекции в Петербургском университете. Здесь он сблизился с В.Я. Буняковским и знакомым ему ранее И.И. Сомовым. Им троим (и более всего Чебышеву) обязаны своим расцветом математические науки в Петербургском университете. В университете Чебышев работал 35 лет, до 1882 г., и воспитал здесь/ плеяду замечательных учеников, составивших ядро знаменитой Петербургской математической школы.

Вскоре после приезда в Петербург Чебышев защитил докторскую диссертацию — «Теория сравнения» (1849). После этого в «Записках Академии наук» и других журналах стали регулярно появляться статьи Чебышева, которые быстро принесли ему широкую известность. В 1853 г. он был избран членом Петербургской академии наук, затем иностранным членом Берлинской и Парижской академий (первый из русских после Петра I), Лондонского королевского общества и т. д.

Чебышев не ограничивался интенсивной деятельностью в Академии наук и университете. Он много лет активно работал в Артиллерийском отделении Военно-ученого комитета и в Ученом комитете министерства народного просвещения. Научное творчество он не прекращал почти до самой смерти.

Для творчества Чебышева характерно органическое сочетание прикладных и собственно теоретических интересов. Как отмечал В.А. Стеклов, большой интерес к вопросам практики иногда приводил в удивление лиц, знавших Чебышева как ученого, работавшего в области отвлеченного знания: теории вероятностей, интегрирования функций, теории чисел. Но это обстоятельство получает естественное объяснение, если вникнуть в основы тех руководящих идей, которые служили первоисточником открытий Чебышева. Сам Чебышев писал: «Сближение теории с практикой дает самые благотворные результаты, и не одна только практика от этого выигрывает; сами науки развиваются под влиянием ее, она открывает им новые предметы для исследования или новые стороны в предметах, давно известных».^{212}

В XIX в. в связи с ростом промышленности в странах Западной Европы и в России возникли новые проблемы в области конструирования и усовершенствования машин. Частично эти проблемы решались опытным путем, упорными многократными поисками, нащупыванием лучших технических решений. Однако уже сама широта поставленных задач в связи с возникновением новых областей техники требовала теоретических обобщений. Появилась потребность в разработке общих методов проектирования отдельных механизмов и узлов, превращающих движение одного вида в движение другого вида, в совершенствовании известных и создании новых шарнирных механизмов, а также способов конструирования направляющих механизмов разного типа.

Именно с успехами в технике было непосредственно связано появление в России во второй половине XIX в. фундаментальных работ по теории механизмов, и прежде всего работ П.Л. Чебышева. Интерес к этому кругу проблем Чебышев вынес еще из Московского университета под влиянием Брашмана и отчасти Ершова. Чебышев неустанно знакомился с различными производствами, беседовал с виднейшими инженерами и подбирал материал для курса практической механики, который читал в университете, а также в Александровском лицее.

Чебышев был непревзойденным мастером решения конкретных задач и выполнял их с исключительной ясностью и строгостью. Он искал — и находил — не только общее решение вопроса, но и указывал эффективные практические методы его выполнения. Свои результаты он доводил до числа, проводил конкретные числовые расчеты, и, если требовалось, составлял таблицы.

Чебышев понимал, что внедрение машин в русскую технику, которая в то время значительно отставала от западной, имеет огромное значение. Именно поэтому он с особым интересом изучал паровые двигатели, турбины и т. п. Из программы его курса практической механики в Петербургском университете видно, что его особенно интересовали теория зубчатых передач, динамика машин, удары в частях механизмов и т. д.

В качестве объекта научного исследования Чебышев выбрал одну из труднейших задач теории механизмов, проблему синтеза механизмов, т. е. построения механизмов, выполняющих заданное движение, — задачу, решение которой не может считаться законченным и в настоящее время. В этой области он взял самую сложную и почти не изученную в то время проблему синтеза шарнирных механизмов. П.Л. Чебышев создал новую школу синтеза механизмов. Работы его в этой области далеко опередили свое время и сохранили важное значение до сих пор. В этих работах блестяще проявилась особенность научного гения Чебышева, состоявшая в умении сочетать самые отвлеченные области математического анализа с рассмотрением непосредственно технических задач. Именно так возник в теории механизмов метрический синтез по Чебышеву.

Из пятнадцати исследований Чебышева по теории механизмов большая часть посвящена вопросам синтеза механизмов. Общая его идея была такова. Если некоторый механизм удовлетворяет заданным условиям в точности лишь приближенно, то следует подобрать его звенья так, чтобы наибольшая получающаяся погрешность была наименьшей из всех, какие возможны для механизма данного типа. Руководствуясь этой идеей и отправляясь от свойств так называемого параллелограмма Уатта, применяемого в паровых машинах для преобразования прямолинейного движения поршня во вращательное движение вала, Чебышев создал новую отрасль математического анализа — теорию наилучшего приближения функций (или теорию функций, наименее отклоняющихся от нуля).

В исследовании «Теория механизмов, известных под названием параллелограммов» (1853) Чебышев дал рациональные основания для определения размеров прямолинейно-направляющих механизмов, которые в течение 75 лет, начиная с Уатта, подбирались инженерами эмпирически.

Кроме направляющих механизмов Чебышев синтезировал и построил ряд других. Наиболее интересные из них: механизм для превращения вращательного движения кривошипа в колебательное движение коромысла с двумя качаниями за один оборот кривошипа; кулисный механизм паровой машины; механизм для измерения кривизны; механизм сортировочной машины для зерна; механизм самокатного кресла и велосипеда; гребной механизм лодки и т. д. Очень остроумен механизм, известный под названием «стопоходящей машины», которая имитирует движение лошади.

Среди построенных Чебышевым механизмов выделяется так называемый парадоксальный механизм, состоящий из шести звеньев, соединенных шарнирами. Как показал Чебышев, можно подобрать такие размеры звеньев, что если ведущему звену давать вращение по часовой стрелке, то ведомое звено будет делать два оборота, а если вращать ведущее звено против часовой стрелки, то ведомое звено будет делать четыре оборота.

Изучая те части траекторий, описываемых различными точками шатуна, которые мало отличаются от окружностей, и присоединяя дополнительные звенья, Чебышев создал механизмы с остановками, у которых отдельные звенья на некоторое время останавливаются, хотя ведущее звено продолжает вращаться.

Таков краткий и далеко не полный перечень работ Чебышева по синтезу механизмов.

В 1870 г. в работе «О параллелограммах» Чебышев исследовал ту же проблему и впервые дал так называемую структурную формулу механизмов.

Добавим к этому, что Чебышев построил новый арифмометр с непрерывным движением.

В некрологе, посвященном П.Л. Чебышеву, А.М. Ляпунов писал: «Гениальные идеи, рассеянные в трудах П.Л. Чебышева, без сомнения, не только не исчерпаны во всех своих выводах, но могут принести надлежащие плоды лишь в будущем, и тогда только явится возможность получить правильное представление о великом значении ученого, которого лишилась недавно наука»^{213}.

Идеи П.Л. Чебышева действительно могли быть оценены в свете дальнейшего их развития. Такое развитие происходило во всех научных центрах мира, и особенно в России. Мы не будем здесь останавливаться на истории теории механизмов в России в последней четверти XIX— начале XX в., а отметим только немногие работы.

Интересный цикл исследований в этом направлении был проведен в Новороссийском (ныне Одесском) университете, основанном в 1865 г. Ряд книг и статей по кинематике систем с приложениями к техническим задачам опубликовал профессор механики В.Н. Лигин (1846—1900). Ученик Лигина доцент X. И. Гохман дал в «Кинематике машин» (Одесса, 1890) классификацию кинематических пар по степеням свободы и разделение механизмов на шесть разрядов в зависимости от числа возможных движений. Сохранила интерес и несколько более ранняя работа Гохмана «Теория зацеплений, обобщенная и развитая путем анализа» (Одесса, 1886). В Одесском же университете защитил магистерскую диссертацию «Передача вращения и механические черчения кривых шарнирно-рычажными механизмами» (1894) воспитанник Московского университета Н.Б. Делоне (1856—1931), с 1906 г. занимавший кафедру механики в Киевском политехническом институте. Для более широкой популяризации работ Чебышева по шарнирным механизмам за рубежом Делоне в 1900 г. издал в Лейпциге на немецком языке книгу «Работы Чебышева по теории шарнирных механизмов».

Особые заслуги в теории механизмов принадлежат Ивану Алексеевичу Вышнеградскому (1831—1895), ученику Остроградского по Главному педагогическому институту в Петербурге, физико-математическое отделение которого он окончил в 1851 г. После защиты магистерской диссертации «О движении системы материальных точек, определяемой полными дифференциальными уравнениями» (1854) Вышнеградский преподавал математику и прикладную механику в Артиллерийской академии, а затем начал работать и в Петербургском технологическом институте. Помимо названных курсов он читал и другие, теорию упругости, термодинамику, различные части машиностроения и т. д. В 1862 г. он был утвержден профессором механики, в 1888 г. избран почетным членом Академии наук.

Вышнеградский был выдающимся инженером-конструктором и теоретиком. Главным вкладом его в науку явилось создание теории автоматического регулирования, основания которой он изложил в двух сочинениях — «О регуляторах прямого действия» (1877) и «О регуляторах непрямого действия» (1878). Свои открытия Вышнеградский тогда же опубликовал во французских и немецких журналах.

Введенные Вышнеградским понятия и методы получили широкое применение в современной теории регулирования, приобретающей все большее и большее значение в самых различных областях производства. Имя Вышнеградского носит, например, критерий устойчивости системы регулирования.

В 1909 г. было опубликовано исследование Н.Е. Жуковского «Сведение динамических задач о кинематической цепи к задачам о рычаге». Она заключает в себе теорему, имеющую глубокое принципиальное значение. Сущность этой теоремы состоит в том, что вопрос о равновесии механизма, т. е. системы тел, сводится к более простой задаче равновесия одного твердого тела, вращающегося вокруг данного центра. Метод Жуковского давал возможность решить общую задачу динамики механизмов (для механизмов с одной степенью свободы), состоящую в определении движения механизмов под действием заданных сил, т. е. позволял произвести кинетостатическии расчет механизма с учетом сил инерции.

В 1914—1917 гг. появились работы профессора Петербургского политехнического института Л.В. Ассура (1878—1920), давшего новую общую систему классификации плоских кинетических цепей, на которой основывается методика исследования плоских механизмов, причем каждому классу соответствует свой метод анализа. Классификация Ассура и ряд введенных им понятий («точки Ассура» и др.) играют важную роль в современной теории механизмов и машин.

ЗАДАЧА О ВРАЩЕНИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА ВОКРУГ НЕПОДВИЖНОЙ ТОЧКИ

Проблема вращения твердого тела — характерный пример тех механико-математических проблем, которые стояли в центре теоретической механики во второй половине XIX в. Начиная с С.В. Ковалевской (1850—1891), русские ученые вносят крупный вклад в решение этой проблемы. Факты богатой событиями биографии Ковалевской и оценку ее математических работ можно почерпнуть из весьма обширной литературы. Мы остановимся лишь на главных вехах ее жизни.

С 1868 г. С.В. Ковалевская, жившая до того в Москве, вступила в брак с В.О. Ковалевским (впоследствии знаменитым палеонтологом) и уехала с ним в Петербург, где обратилась к П.Л. Чебышеву с просьбой разрешить ей слушать его лекции в университете. Но в силу законов того времени она, будучи женщиной, не могла быть допущена на эти лекции. В 1869 г. Ковалевские уехали за границу. Здесь Ковалевская систематически изучала математику и физику, посещая в Гейдельбергском университете лекции крупнейших ученых того времени. Через два года она переехала в Берлин, где преподавал Карл Вейерштрасс (1815—1897).

В Берлинский университет женщин тогда тоже не допускали, и Вейерштрасс начал заниматься с Ковалевской частным образом.

Вейерштрасс был очень высокого мнения о математическом даровании своей ученицы. «Что же вообще касается уровня математического образования г-жи Ковалевской, — писал он геттингенскому математику Л. Фуксу в письме от 27 июня 1874 г., — то я могу с уверенностью сказать, что у меня было очень мало учеников, которые могли бы сравниться с ней в том, что касается ее способностей, суждений, прилежания и любви к науке»^{214}.

Ковалевская становится любимой ученицей Вейерштрасса. Он не только повторяет ей одной лекции, читаемые им в университете, но знакомит ее также со своими неопубликованными работами и обсуждает животрепещущие научные проблемы.

В 1874 г. Геттингенский университет заочно присуждает С.В. Ковалевской ученую степень доктора философии. В качестве докторской диссертации Ковалевская представила три работы, из которых особенно замечательна работа «К теории уравнений в частных производных». Здесь была доказана классическая теорема существования голоморфного решения системы дифференциальных уравнений в частных производных нормального вида. В современных курсах математического анализа эта теорема называется ее именем.

В 1874 г. С.В. Ковалевская возвратилась в Россию. Начался самый тяжелый период ее жизни. Ковалевская, уже признанный за границей математик, хотела приложить свои знания на родине, но в царской России женщина не могла получить кафедру в университете.

В конце 1879 г. П.Л. Чебышев предложил Ковалевской сделать сообщение о ее математических работах на VI съезде русских естествоиспытателей в Петербурге. В том же году Ковалевские переехали в Москву. Софья Васильевна решила сдать в Московском университете магистерские экзамены, но не была к ним допущена.

В 1881 г. Ковалевская снова у Вейерштрасса, полная творческого энтузиазма и страстного желания подготовить как можно больше математических работ. В течение двух лет она занимается проблемой света в кристаллах.

В августе 1883 г. Ковалевская делает доклад на VII съезде русских естествоиспытателей о преломлении света в кристаллах. На этом съезде она познакомилась с Н.Е. Жуковским.

В ноябре 1883 г. профессор Стокгольмского университета выдающийся математик Г. Миттаг-Леффлер (1846—1927) предложил Софье Васильевне место доцента. Она согласилась и переехала в Стокгольм. В 1884 г. Ковалевская стала профессором в том же университете. За восемь лет своей работы в Стокгольме Софья Васильевна прочитала двенадцать курсов по различным разделам математики и механики. В Швеции она пользовалась большой популярностью не только как выдающийся математик, но и как незаурядная писательница.

В 1888 г. С.В. Ковалевская написала свою знаменитую работу «Задача о вращении твердого тела около неподвижной точки». Выше уже говорилось об истории этой задачи. Еще в 1758 г. Эйлер рассмотрел случай движения твердого тела вокруг неподвижной точки (полюса), когда центр тяжести совпадает с полюсом, а все силы сводятся к равнодействующей, проходящей через эту неподвижную точку. Л. Пуансо (1777—1859) в 1834 г. дал геометрическую интерпретацию этого случая. В 1788 г. Лагранж (и независимо от него в 1815 г. Пуассон) рассмотрел случай, когда тело имеет ось симметрии, проходящую через неподвижную точку, и движется под действием только силы тяжести, точка приложения которой лежит на оси симметрии и не совпадает с полюсом. Обе задачи сводятся в общем случае к квадратурам, и решения выражаются через эллиптические функции. Все вычисления были выполнены до конца И.И. Сомовым в 1851 г.

После исследований Эйлера, Лагранжа и Пуассона проблема движения тела вокруг неподвижной точки длительное время не получала дальнейшего развития. Ввиду важности этой проблемы французская Академия наук назначила премии за какое-либо существенное продвижение в исследовании задачи. Два проведенных конкурса не дали результатов. В 1888 г. конкурс был объявлен в третий раз. Из пятнадцати представленных работ получила премию работа С.В. Ковалевской, имевшая девиз: «Говори, что знаешь; делай, что обязан; будь, чему быть». Конкурсная комиссия, в состав которой входили крупнейшие ученые, увеличила премию с 3000 до 5000 франков, так как, по заключению комиссии, работа Ковалевской является «замечательным трудом, который содержит открытие нового случая …автор не удовольствовался прибавлением результата к тем решениям, какие перешли к нам по этому предмету от Эйлера и Лагранжа, а сделал из своего открытия углубленное исследование с применением всех возможностей современной теории функций»^{215}.

В начале своей работы Ковалевская ставит вопрос: не существует ли кроме случаев, рассмотренных Эйлером и Лагранжем, еще других случаев движения твердого тела вокруг неподвижной оси, которые могли бы быть выражены при помощи каких-либо функций времени, аналогичных функциям, примененным для исследования первых двух задач? В результате своих изысканий она находит, что применение подобных функций позволит разрешить только один новый случай движения твердого тела. В этом случае центр тяжести тела лежит в плоскости экватора эллипсоида инерции, построенного для неподвижной точки.

В работе Ковалевской о вращении тяжелого твердого тела вокруг неподвижной точки необходимо отметить следующие существенно новые для механики и математики особенности. Ею открыт новый случай вращения твердого тела вокруг неподвижной оси, для которого она нашла общий интеграл. Этот случай справедливо получил ее имя. В своем труде С.В. Ковалевская впервые привлекла к исследованию подобных задач прекрасно разработанный аппарат теории функций комплексного переменного. Наконец, ее работа поставила некоторые новые общие математические проблемы. Н.Е. Жуковский построил наглядные модели волчков для всех трех решенных в конечном виде случаев вращения твердого тела: первый из приведенных рисунков характеризует случай Эйлера — Пуансо, второй — случай Лагранжа — Пуассона, и третий — случай Ковалевской (см. рисунок).

Работы С.В. Ковалевской, посвященные движению твердого тела, стали исходным пунктом многочисленных исследований. Мы можем назвать русских ученых, так или иначе дополнивших анализ Ковалевской: московских профессоров Г.Г. Аппельрота (1866—1943), П.А. Некрасова, Б.К. Млодзеевского (1859—1923), Н.Е. Жуковского, а также А.М. Ляпунова и Н.Б. Делоне.

ПРОБЛЕМА УСТОЙЧИВОСТИ ДВИЖЕНИЯ

Одним из крупнейших достижений механики в конце XIX в. явилось создание теории устойчивости движения систем с конечным числом степеней свободы. Основоположником этой теории был А.М. Ляпунов, которому наука обязана и многими другими важными исследованиями, особенно по фигурам равновесия вращающейся жидкости. Мы остановимся преимущественно на разработке Ляпуновым проблемы устойчивости движения.

Александр Михайлович Ляпунов родился 6 июня 1857 г. в Ярославле. Первоначальное математическое образование он получил под руководством отца, М.В. Ляпунова, известного астронома, работавшего ряд лет в Казани, а с 1855 по 1863 г. бывшего директором Демидовского лицея в Ярославле. В 1870 г. семья Ляпуновых переехала в Нижний Новгород. В 1876 г. А.М. Ляпунов окончил здесь гимназию и поступил в Петербургский университет на отделение естественных наук физико-математического факультета; вскоре он перешел на математическое отделение. Особенно большое влияние оказали на Ляпунова курсы лекций П.Л. Чебышева, а также Д.К. Бобылева.

Под руководством Бобылева А.М. Ляпунов начал свои первые научные исследования. В 1880 г. Ляпунову была предложена для сочинения тема по гидростатике «О равновесии тяжелых тел в тяжелых жидкостях». За это сочинение он получил золотую медаль. По окончании университета в 1880 г. Ляпунов был оставлен при кафедре механики Петербургского университета для подготовки к профессорскому званию. Одновременно он был назначен на должность хранителя механического кабинета.

В 1882 г. Ляпунов сдал магистерские экзамены и обратился за советом к Чебышеву относительно выбора темы для магистерской диссертации. Чебышев предложил ему задачу, определившую выбор темы магистерской диссертации Ляпунова «Об устойчивости эллипсоидальных форм равновесия вращающейся жидкости», которую он защитил в 1885 г. в Петербургском университете. К задаче Чебышева и магистерской диссертации Ляпунова мы возвратимся позже.

В 1885 г. Ляпунов был приглашен приват-доцентом в Харьковский университет и приступил здесь к чтению лекций по механике.

В Харькове Ляпунов занимался проблемой устойчивости движения, математической физикой, особенно теорией потенциала, а также гидродинамикой. К работам по математической физике и механике жидкостей он привлек своего ученика В.А. Стеклова. Кратким, но важным эпизодом в научной деятельности Ляпунова явились его занятия теорией вероятностей: вслед за Чебышевым и А.А. Марковым (1856—1922) он далеко и оригинально продвинул исследование предельной теоремы Лапласа. Активно участвовал Ляпунов в работе Харьковского математического общества: в 1891—1898 гг. — в должности товарища председателя и в 1899—1902 гг. — в должности председателя и редактора научного органа.

Свою первую работу по устойчивости движения Ляпунов напечатал в 1888 г. в «Сообщениях Харьковского математического общества». Это была статья «О постоянных винтовых движениях твердого тела в жидкости». Вопрос об устойчивости постоянных винтовых движений, как писал в этой статье Ляпунов, представляет хороший пример для общей теории устойчивости движения. В 1889 г. Ляпунов напечатал вторую статью на эту тему — «Об устойчивости движения в одном частном случае задачи о трех телах».

Разработка вопросов общей теории устойчивости, проводившаяся Ляпуновым в эти годы, завершилась опубликованием в 1892 г. в Харькове замечательного труда «Общая задача об устойчивости движения», который он защитил в качестве диссертации на степень доктора прикладной математики в 1893 г. Защита состоялась в Московском университете, причем оппонентами были Н.Е. Жуковский и Б.К. Млодзеевский. После защиты Ляпунову было присвоено звание ординарного профессора. В течение ряда лет Ляпунов продолжал исследования в том же направлении, существенно дополнив результаты докторской диссертации.

В 1900 г. Ляпунов был избран членом-корреспондентом Академии наук, а в конце 1901 г. — академиком по кафедре прикладной математики, которая оставалась незанятой с 1894 г., после смерти Чебышева. В 1902 г. Ляпунов переехал в Петербург. Здесь он уже не преподавал, а целиком отдался научной работе. Он возобновил занятия фигурами равновесия жидкости и их приложениями к теории фигур небесных тел. В этой области ему принадлежат исключительно глубокие открытия.

Летом 1917 г. в связи с болезнью жены Ляпунов переехал в Одессу. В сентябре следующего года он начал в Одесском университете чтение курса «О форме небесных тел». Этот курс ему закончить не удалось: 3 ноября 1918 г. он скончался.

Научные заслуги Ляпунова были широко оценены на родине и за рубежом. Он был избран почетным членом многих русских университетов, членом-корреспондентом Парижской академии наук, иностранным членом Римской академии наук и т. д.

Обратимся к проблеме устойчивости движения, имеющей важное значение для теоретической механики, астрономии, аэромеханики, прикладной механики, теории механизмов и других областей техники.

В механических задачах, как правило, для упрощения анализа приходится пренебрегать влиянием некоторых факторов, пренебрегать силами, действие которых мало по сравнению с основными силами, определяющими движение. Однако в ряде случаев эти хотя бы и незначительные силы, действуя достаточно долго или возобновляясь периодически, могут частично и даже полностью изменить характер первоначального движения. Таким образом, это движение окажется неустойчивым.

Если точное решение задачи получено в конечном виде, можно судить об устойчивости или неустойчивости движения. Но не всегда такое решение можно найти. Отсюда вытекает необходимость найти метод, позволяющий, не решая полностью уравнений движения, определять, будет ли данное движение устойчивым или нет. Проблема устойчивости была поставлена в XVIII в. в связи с исследованием проблемы устойчивости Солнечной системы. Если пренебречь взаимными притяжениями планет и считать, что планеты притягиваются только Солнцем, то аналитическая механика дает однозначное решение, полностью определяющее основную траекторию движения планеты. Однако в действительности на каждую планету кроме силы притяжения Солнца действуют также силы притяжения других планет, которые возмущают движение рассматриваемой планеты по найденной основной орбите. Влияние этих возмущений может накапливаться и с течением времени полностью разрушить основное движение. Исследуя этот вопрос, Лаплас и Лагранж пришли к выводу, что для Солнечной системы возмущения больших полуосей и эксцентриситетов орбит не возрастают монотонно с течением времени, но периодически колеблются, достигая максимального и минимального значений; следовательно, движение больших планет Солнечной системы устойчиво. Но эта устойчивость не всегда имеет место (например, движение частиц в кольцах Сатурна). Как известно, кольца Сатурна состоят из частиц, вращающихся вокруг планеты. В этих кольцах на некоторых расстояниях от центра планеты имеются щели, разделяющие их на ряд концентрических колец и представляющие собой области, где движение находившихся там некогда частиц было неустойчиво.

Весьма существенное значение вопрос об устойчивости движения имеет в баллистике при исследовании законов движения продолговатого снаряда. Задача об устойчивости движения возникла также в связи с развитием машиностроения в XIX в. Решение вопроса об устойчивости движения важно для определения режима работы машин и механизмов.

Общая задача об устойчивости движения сводится к исследованию систем дифференциальных уравнений вида

где X_k — заданные функции времени t и x_k, при достаточно малых x_k аналитические; для простоты можно принять, что эти функции обращаются в нуль, когда все x_k равны нулю. Если во все время движения, т. е. при любых t, функции x_k, зависящие от t, остаются меньше заранее данных сколь угодно малых положительных величин, движение называется устойчивым (по Ляпунову). Если система уравнений интегрируется в конечном виде, то по найденному решению можно в принципе судить об устойчивости или неустойчивости движения. Но такое интегрирование удается сравнительно редко, и требуется дать ответ, не имея точного решения системы уравнений, определяющей движение системы.

Ученые издавна применяли в этом случае приближенные методы решения, причем ограничивались так называемым первым приближением, отбрасывая в степенных рядах, выражающих функции X_k, все члены выше первой степени относительно x_k и исследуя возникающую при этом систему линейных уравнений. Однако движение, устойчивое в первом приближении, нередко бывает на самом деле неустойчивым. Привлечение второго (или даже более высокого) приближения также, вообще говоря, недостаточно. Возникал вопрос: когда первое приближение достаточно для суждения об устойчивости? Единственная попытка решить этот вопрос была незадолго до Ляпунова сделана А. Пуанкаре. В предисловии к работе «Общая задача об устойчивости движения» Ляпунов писал: «Хотя Пуанкаре и ограничивается очень частными случаями, но методы, которыми он пользуется, допускают значительно более общие приложения и способны привести еще ко многим новым результатам. Идеями, заключающимися в названном мемуаре, я руководствовался при большей части моих изысканий»^{216}. В этом исследовании, опубликованном в 1892 г. в издании Харьковского математического общества, Ляпунов поставил следующую задачу: указать те случаи, в которых первое приближение полностью решает вопрос об устойчивости или неустойчивости движения, и дать способы, позволяющие решать этот вопрос по крайней мере в некоторых из тех случаев, когда по первому приближению нельзя судить об устойчивости.

Ляпунов дал строгое решение вопроса о том, когда при исследовании задачи об устойчивости движения можно ограничиваться рассмотрением первого приближения. Он установил особые случаи, при которых использование первого приближения не решает задачу об устойчивости. Большой заслугой его явилось подробное исследование уравнений, в которых коэффициентами являются периодические функции с одним и тем же периодом. Он указал признаки устойчивости и неустойчивости для периодических движений. Отметим еще, что он впервые доказал теорему, согласно которой положение равновесия при некоторых дополнительных условиях неустойчиво, если в положении равновесия потенциальная энергия не минимальна.

После докторской диссертации Ляпунов напечатал еще ряд работ в дополнение к ней, на которых мы останавливаться не будем.

Ценность трудов Ляпунова по теории устойчивости движения не только в непосредственно полученных им результатах, но и в разработке новых оригинальных математических приемов изучения дифференциальных уравнений. Последующие исследования по теории устойчивости в значительной мере опирались на идеи и методы Ляпунова. Его докторская диссертация была издана на французском языке в 1907 г. О значении этого труда в наше время свидетельствуют четыре переиздания его на русском языке после 1935 г. и перепечатка французского перевода в США в 1947 г.

МЕХАНИКА ТЕЛ ПЕРЕМЕННОЙ МАССЫ И ТЕОРИЯ РЕАКТИВНОГО ДВИЖЕНИЯ

На рубеже XIX—XX вв. в России была создана новая область механики, первые стимулы к разработке которой возникли в теоретическом естествознании и которая приобрела исключительно важное значение в технике середины XX в. Это динамика тел переменной массы И.В. Мещерского.

Иван Всеволодович Мещерский (1859—1935) родился в Архангельске. Учился он сначала в приходском училище, затем в уездном. В 1871 г. поступил в Архангельскую гимназию, курс которой окончил в 1878 г. с золотой медалью, причем в аттестате была отмечена «любознательность весьма похвальная, и особенно к древним языкам и математике». В той: же году И.В. Мещерский поступил на математическое отделение физико-математического факультета Петербургского университета. Это было время расцвета Петербургской математической школы, созданной П.Л. Чебышевым. Здесь он с восторгом слушал лекции как самого П.Л. Чебышева, так и известных в то время профессоров А.Н. Коркина (1837— 1908), К.П. Поссе (1847—1928) и многих других.

В студенческие годы Мещерский с особым интересом занимался механикой, которую читали Д.К. Бобылев и Н.С. Будаев. Влияние их сказалось на всей дальнейшей научной деятельности И.В. Мещерского. Особенно значительную роль в его жизни сыграл Д.К. Бобылев, автор крупных работ по гидродинамике и замечательный педагог. По окончании университета в 1882 г. Мещерский был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию.

В 1889 г. И.В. Мещерский выдержал при Петербургском университете экзамены на ученую степень магистра прикладной математики и получил право на чтение лекций. В ноябре 1890 г. И.В. Мещерский начал преподавание в Петербургском университете в качестве приват-доцента. В 1891 г. он получил кафедру механики на Петербургских высших женских курсах, которую занимал до 1919 г., т. е. времени слияния этих курсов с университетом. В 1897 г. Мещерский успешно защитил в Петербургском университете диссертацию на тему «Динамика точки переменной массы», представленную им для получения степени магистра прикладной математики.

В 1902 г. он был приглашен заведовать кафедрой в незадолго перед тем основанный Петербургский политехнический институт. Здесь и протекала до конца жизни его основная научно-педагогическая работа. И.В. Мещерский 25 лет вел педагогическую работу в Петербургском университете и 33 года в Политехническом институте. Многие слушатели Мещерского стали крупными учеными. Так, например, среди слушателей курса «Интегрирование уравнений механики», прочитанного Мещерским, были такие выдающиеся русские ученые, как академик А.Н. Крылов, профессор Г.В. Колосов и др. В архиве АН СССР хранится тетрадь А.Н. Крылова с записями лекций Мещерского, прочитанных последним в 1890/1891 учебном году в Петербургском университете. Широко известен его курс теоретической механики и особенно прекрасный задачник по механике, выдержавший более двух десятков изданий и принятый в качестве учебного пособия для высших учебных заведений не только в СССР, но и в ряде зарубежных стран.

Основным предметом научных исследований И.В. Мещерского явилась проблема движения тел с переменной массой. Всю свою творческую жизнь он посвятил созданию основ механики переменных масс и достиг в этом выдающихся результатов. Классический закон движения Ньютона, выражаемый дифференциальным уравнением

где m — масса точки, V — скорость, F — равнодействующая приложенных сил, перестает, вообще говоря, быть верным, если масса меняется со временем. Между тем в ряде важных случаев приходится иметь дело с движущимися телами переменной массы. Сам Мещерский в своей работе «Динамика точки переменной массы» писал: «Такие случаи нам представляет сама природа: масса Земли возрастает вследствие падения на нее метеоритов; масса метеорита, движущегося в атмосфере, убывает вследствие того, что некоторые частицы его или отрываются, или сгорают; масса падающей градины или снежинки возрастает в тех частях пути, где на нее оседают пары из окружающей атмосферы, и убывает вследствие испарения там, где она проходит через слои воздуха, более теплые и более сухие; плавающая льдина представляет пример, где масса возрастает вследствие намерзания и убывает вследствие таяния и т. д.

В некоторых случаях изменение массы вызывается искусственно: убывает масса летящей ракеты вследствие сгорания; убывает масса аэростата при выбрасывании балласта; возрастает масса привязного аэростата, когда он, поднимаясь, вытягивает за собой канат; возрастает масса корабля при нагрузке и убывает при разгрузке и т. д. Вообще, если тело находится в воздухе, масса его может возрастать вследствие оседания пыли и паров, вследствие присоединения частиц других тел, с которыми оно приходит в соприкосновение; масса может убывать вследствие сгорания, испарения, распыления.

Если тело находится в жидкости, его масса может возрастать вследствие оседания на поверхности некоторых частиц из этой жидкости, вследствие намерзания и может убывать вследствие размывания тела жидкостью, вследствие растворения или таяния»^{217}.

До Мещерского были разобраны лишь немногие частные задачи такого рода, и к тому же решения их иногда были ошибочными. Можно утверждать, что на рубеже XIX и XX вв. трудами И.В. Мещерского были заложены основы динамики точки переменной массы и создан новый большой раздел теоретической механики — механика переменных масс. И.В. Мещерский начал заниматься вопросами движения тел переменной массы в 1893 г. 27 января этого года на заседании Петербургского математического общества он доложил о первых своих результатах в этом направлении.

В магистерской диссертации «Динамика точки переменной массы» Мещерский установил, что если масса точки изменяется во время движения, то основное дифференциальное уравнение движения Ньютона заменяется следующим фундаментальным уравнением движения точки переменной массы:

где F и R = dm/dt∙U_r — заданная и реактивная силы.

Это уравнение называют уравнением Мещерского. В диссертации Мещерский дал общую теорию движения точки переменной массы для случая отделения (или присоединения) частиц. В 1904 г. в «Известиях Петербургского политехнического института» был напечатан второй труд И.В. Мещерского «Уравнения движения точки переменной массы в общем случае». В этой работе теория Мещерского получила окончательное и в высшей степени изящное выражение. Здесь он устанавливает и исследует общее уравнение движения точки, масса которой изменяется от одновременного процесса присоединения и излучения материальных частиц. И.В. Мещерский не только разработал теоретические основы динамики переменной массы, но и рассмотрел большое количество частных задач о движении точки переменной массы, например восходящее движение ракеты и вертикальное движение аэростата. Он подверг весьма обстоятельному исследованию движение точки переменной массы под действием центральной силы, заложив тем самым основания небесной механики тел переменной массы. Он исследовал также и некоторые проблемы комет. И.В. Мещерский впервые сформулировал и так называемые обратные задачи, когда по заданным внешним силам и траектории определяется закон изменения массы.

Заслуги И.В. Мещерского в науке чрезвычайно велики. Однако лишь в последнее время с достаточной полнотой выяснилось огромное практическое значение его исследований по механике переменных масс. После второй мировой войны стало появляться большое число глубоких теоретических исследований, посвященных как специальным проблемам ракетодинамики и динамики тел переменной массы, так и обобщению результатов исследований И.В. Мещерского. Опираясь на труды И.В. Мещерского, советские ученые разработали основные вопросы динамики твердого тела и произвольных изменяемых систем переменной массы.

В историю отечественной науки Мещерский вошел как основоположник механики тел переменной массы. Его исследования в этой области явились теоретической основой современной ракетодинамики. Имя И.В. Мещерского неразрывно связано с именем создателя научных основ космонавтики К.Э. Циолковского.

Константин Эдуардович Циолковский является пионером ракетодинамики, теории реактивных двигателей и учения о межпланетных сообщениях. Он один из основателей экспериментальной аэродинамики в России, создатель первого проекта конструкции и теории цельнометаллического дирижабля, автор многих ценных изобретений в технике летания.

Жизнь Циолковского полна подлинного драматизма. Его трагическая судьба в дореволюционной России и затем великий триумф в Советском Союзе отразили исторический перелом в судьбах отечественной научно-технической мысли.

Напряженная, наполненная непрестанными поисками, до предела насыщенная внутренним содержанием, жизнь Циолковского небогата внешними событиями. Его биография резко отличается от обычных жизнеописаний ученых. Здесь нет студенческих лет, непосредственного общения с представителями предшествующего поколения ученых, разрабатывавшими такие же или сходные проблемы, нет кафедры, научных рангов и т. д.

Константин Эдуардович Циолковский родился 17 сентября 1857 г. в с. Ижевском Спасского уезда Рязанской губернии в семье ученого-лесовода. Девяти лет Циолковский в результате осложнения, полученного после скарлатины, почти полностью потерял слух. Глухота не позволила продолжать учебу в школе. Чтобы восполнить пробел в своем образовании, он, занимаясь самостоятельно, прошел полный курс средней школы и значительную часть университетского курса.

В своей автобиографии К.Э. Циолковский писал: «…Учителей, кроме ограниченного количества и сомнительного качества книг, у меня не было, и меня можно считать самоучкой чистой крови. Я так привык к самостоятельной работе, что, читая учебники, считал более легким для себя доказать теорему без книги, чем вычитывать из нее доказательства».

В 1879 г. Константин Эдуардович сдал экстерном экзамен на звание учителя средней школы и начал преподавать математику в Боровском уездном училище Калужской губернии. Все свободное от школьных занятий время он посвящал научным исследованиям.

Творчество Циолковского отличают разносторонность и широта научных интересов. Его интересовали самые разнообразные области знания — естествознание, техника, философия. Однако основные его работы связаны с решением трех крупнейших технических проблем: воздухоплавание, авиация и межпланетные сообщения.

В середине 80-х годов Циблковский начал проводить серьезные исследования по проблеме создания управляемого аэростата. В результате он пришел к выводу, что целесообразно создавать аэростаты только металлические и больших размеров. Кроме того, Циолковский показал, что возможно осуществить управление аэростатами. Он разработал проект цельнометаллического дирижабля с гофрированной оболочкой, у которого в полете мог изменяться объем и производиться подогрев газа.

Изменение объема аэростата давало возможность сохранить неизменной подъемную силу при изменении температуры и давления окружающего воздуха. Подогрев газа внутри корпуса аэростата Циолковский предполагал производить за счет тепла отработанных продуктов сгорания. Идея подогрева газа преследовала цель регулировать изменение подъемной силы дирижабля при перемене метеорологических условий, при подъеме и спуске, сохраняя газ и балласт.

Другой важной технической проблемой, которой Циолковский уделял большое внимание, является разработка вопросов аэродинамики и авиации. Уже в работе по теоруии аэростата, законченной в 1886 г., он затрагивает вопросы аэродинамики в связи с определением, формы аэростата наименьшего сопротивления. Непосредственно аэродинамическим исследованиям посвящена его работа «Давление жидкости на равномерно движущуюся плоскость» (опубликована в 1891 г.).

В 1894 г. появляется его работа по теории самолета «Аэроплан или птицеподобная (авиационная) летательная машина».

Анализируя возможные схемы летательных аппаратов (с машущими и с неподвижными крыльями), Циолковский приходит к идее создания летательной машины, близкой по схеме к современному самолету-моноплану. Циолковский разработал схему самолета, представлявшего собой моноплан со свободнонесущими крыльями, обтекаемой формы фюзеляжем, горизонтальным и вертикальным оперениями, винтомоторной группой (с двигателем внутреннего сгорания), колесным шасси. Крыло самолета имело вогнутый профиль (с острой задней кромкой), толщина которого уменьшалась при приближении к задней кромке.

В 1897 г. Циолковский сконструировал аэродинамическую трубу — первую в России трубу, примененную для исследований в области авиации и воздухоплавания. Опыты в аэродинамической трубе позволили Циолковскому установить важнейшие законы сопротивления среды, провести систематическое исследование лобового сопротивления и подъемной силы тел различной формы, в том числе пяти моделей крыльев (плоских и вогнутых пластинок различного удлинения) и оболочек дирижаблей. Результаты своих первых исследований в аэродинамической трубе Циолковский изложил в работе «Давление воздуха на поверхности, введенные в искусственный воздушный поток», напечатанной в «Вестнике опытной физики и элементарной математики» в 1898 г.

В этой работе Циолковский дал анализ влияния удлинения крыла и тела вращения на их аэродинамические характеристики, нашел формулу для сопротивления трению и установил зависимость его от величины скорости и характерного размера тела (причем эти величины входят в формулу в одной и той же степени), дал сравнительную оценку сопротивления тел различной формы, указал на важное влияние формы кормовой части тела на величину его сопротивления.

Третьим крупнейшим циклом работ Циолковского являются его исследования в области реактивного движения и межпланетных сообщений. В 1883 г. он написал книгу «Свободное пространство», в которой рассматривает явления, происходящие в среде при отсутствии силы тяжести. В этой работе он высказывает мысль о возможности использования реактивного движения для полетов в безвоздушном пространстве.

В 1898 г. Циолковский вывел формулу, связывающую скорость ракеты, скорость истечения продуктов горения, массу ракеты и массу израсходованного горючего.

Результаты своих исследований по теории движения ракет, проводившихся в 1896—1898 гг., Циолковский опубликовал лишь в 1903 г. в знаменитом труде «Исследование мировых пространств реактивными приборами». Циолковский впервые обосновал возможность осуществления межпланетных сообщений с помощью ракетных аппаратов и установил законы движения ракет.

В основе теории движения ракет лежит гипотеза о постоянстве относительной скорости истечения газа из сопла. Эта гипотеза называется в современной литературе гипотезой Циолковского и составляет основу всех расчетов, связанных с изучением движения ракет. Вначале Циолковский решает задачу о движении ракеты в среде, где отсутствуют внешние силы. С качественной стороны эта задача была проанализирована Циолковским еще в 1883 г. в работе «Свободное пространство». Дав научное обоснование теории полета ракет, разработав теорию прямолинейного реактивного движения тел переменной массы, Циолковский стал основоположником ракетодинамики.

В литературу по ракетодинамике вошли теоремы, доказанные Циолковским. Первая теорема представляет собой формулу

где V_max — скорость полета ракеты в среде без атмосферы и сил тяготения, с — относительная скорость истечения газов, z = т/М (т — масса топлива, М — масса ракеты без топлива). Отношение т/М = z называется числом Циолковского.

Вторая теорема утверждает, что

где

— утилизация по Циолковскому, собственно коэффициент полезного действия ракеты (Т — работа, производимая при движении ракеты, Т — работа взрывчатых веществ, т. е. работа, обусловленная истечением газов).

Первая теорема, или формула Циолковского (так она называется в современной технической литературе), применяется в некоторых случаях при расчете параметров космических аппаратов.

Заслуги Циолковского признаны и в других странах, где имя его пользуется большим уважением. Известный немецкий ученый и исследователь реактивного движения в космическом пространстве профессор Герман Оберт писал в 1929 г. К.Э. Циолковскому: «Я, разумеется, самый последний, кто стал бы оспаривать Ваше первенство и Ваши заслуги в области ракет, и я только сожалею, что не услышал о Вас раньше 1925 г. Я был бы, наверное, в моих собственных работах сегодня гораздо дальше и обошелся бы без многих напрасных трудов, зная Ваши превосходные работы»^{218}.

Французский аэроклуб, одна из старейших воздухоплавательных организаций, желая посмертно отметить выдающиеся заслуги Циолковского как патриарха звездоплавания и основоположника теории реактивных летательных аппаратов, в 1952 г. изготовил в его честь большую золотую медаль.

За шесть дней до своей смерти, 13 сентября 1935 г., К.Э. Циолковский писал, что его мечта не могла осуществиться до революции. После Октября, говорит Циолковский, «я почувствовал любовь народных масс, и это давало мне силы продолжать работу, уже будучи больным… Все свои труды по авиации, ракетоплаванию и межпланетным сообщениям передаю партии большевиков и Советской власти — подлинным руководителям прогресса человеческой культуры. Уверен, что они успешно закончат мои труды». И он не ошибся. Идеи Циолковского успешно претворяются в жизнь.

Труды К.Э. Циолковского по аэродинамике, авиации, ракетной технике и астронавтике вошли в золотой фонд мировой науки.

НЕЕВКЛИДОВА МЕХАНИКА

Неевклидова механика, т. е. классическая механика в неевклидовом пространстве, и прежде всего в пространстве Лобачевского, возникла в конце 60-х годов XIX в., когда идеи Лобачевского начали получать признание математиков.

Основным стимулом развития неевклидовой механики послужило желание выяснить, не противоречит ли неевклидова геометрия принципам классической механики. В случае такого противоречия можно было бы сделать вывод, что в реальном мире имеет место евклидова, а не неевклидова геометрия.

Мысль о развитии неевклидовой механики с этой целью была высказана еще самим Н.И. Лобачевским в его основополагающем труде «О началах геометрии» (1829— 1830). Называя открытую им новую систему «воображаемой геометрией», Лобачевский писал:

«Оставалось бы исследовать, какого рода перемена произойдет от введения воображаемой Геометрии в Механику и не встретится ли здесь принятых уже и несомнительных понятий о природе вещей, но которые принудят нас ограничивать или совсем не допускать зависимости линий от углов»^{219}.

В 1869—1870 гг. работы по неевклидовой механике появились в следующих странах: в Италии — Анджело Дженокки (1817—1889); в Германии — Эрнест Шеринг (1833—1897), в Бельгии — Жозеф де Тийи (1837— 1906). Если Дженокки и Шеринг задавали силы точками приложения и величинами, то де Тийи в своих «Этюдах по абстрактной механике» впервые изображал силы в неевклидовом пространстве ориентированными отрезками.

В России исследования по неевклидовой механике начались в 90-х годах XIX в. Первой работой была статья П.С. Юшкевича (1873—1945) «О сложении сил в гиперболическом пространстве»^{220}, написанная в 1892, опубликованная в 1898 г. П. С. Юшкевич рассматривал силы в пространстве Лобачевского, причем, следуя де Тийи, изображал их ориентированными отрезками. В работе определяется сложение сил, когда они направлены по пересекающимся прямым, и в тех случаях, когда они направлены по параллельным и расходящимся прямым.

В широком плане предпринял разработку неевклидовой механики Александр Петрович Котельников (1865—1944). Он родился, вырос и сложился как ученый на родине геометрии Лобачевского — в Казани. Его отец П.И. Котельников (1809—1879) работал в Казанском университете вместе с Н.И. Лобачевским и был единственным из его коллег, который публично выступил при жизни Лобачевского с высокой оценкой его геометрического открытия. В 1884 г. А.П. Котельников окончил Казанский университет, где его учителями были известные математики А.В. Васильев (1853—1929), Ф.М. Суворов (1845—1911) и механики И.С. Громека (1851—1889) и Г.Н. Шебуев (1850—1900). После окончания университета А.П. Котельников работал учителем математики в одной из гимназий г. Казани, а затем был принят на кафедру механики Казанского университета для подготовки к профессорскому званию. С 1893 г. он начинает свою преподавательскую деятельность в Казанском университете и в 1806 г. защищает магистерскую диссертацию «Винтовое исчисление и некоторые применения его К геометрии и механике».

Винтовое исчисление А.П. Котельникова — обобщение векторного исчисления; оно описывает силовые винты статики и винтовые перемещения кинематики. Заметим, что в конце XIX в. векторные методы в механике все еще оставались новинкой.

В 1899 г. А.П. Котельников защитил диссертацию «Проективная теория векторов», за которую получил сразу две ученые степени — доктора чистой математики и доктора прикладной математики. Эта работа имеет большое значение в развитии неевклидовой механики. Котельников дал определение и метод сложения векторов, пригодных для всех неевклидовых пространств, определил эквивалентность систем векторов, показал, что всякая система векторов эквивалентна «канонической системе», состоящей из двух векторов, направленных по двум взаимно полярным прямым, и, нашел необходимое и достаточное условие эквивалентности двух систем векторов. Последнее условие состоит в равенстве определяемых системами векторов величин особого рода «винтов» («моторов», «динам»), тесно связанных с комплексными числами различного вида. Котельников глубоко разработал алгебру винтов, аналогичную векторной алгебре, и ее применения к геометрии, в особенности линейчатой геометрии, и механике (теория винтовых интегралов). Уже в советское время А.П. Котельников дал изящное изложение своих идей в статье «Теория векторов и комплексные числа» (опубликована посмертно в 1950 г.). Из работ А.П. Котельникова помимо диссертаций особо следует отметить статью «Принцип относительности и геометрия Лобачевского», посвященную связям между физикой и геометрией, и «Теория векторов и комплексные числа»^{221}, в которой снова рассматриваются обобщения векторного исчисления и вопросы неевклидовой механики.

В 1927 г. казанский геометр П.А. Широков (1895— 1944), находящийся под сильным влиянием А.П. Котельникова, дал весьма наглядную геометрическую конструкцию действий над векторами в неевклидовых пространствах. Эта конструкция была предложена им в работе «Преобразование винтовых интегралов в пространствах постоянной кривизны». Широков был автором еще нескольких работ по неевклидовой механике. В частности, вопросам связи между физикой и неевклидовой геометрией в несколько другом аспекте, чем работы Котельникова по неевклидовой механике, посвящена работа Широкова «Принцип относительности и геометрия Лобачевского». В этой работе получили развитие идеи известной работы Германа Минковского (1864—1909) «Время и пространство»^{222}, в которой была дана геометрическая интерпретация пространства—времени специальной теории относительности Эйнштейна.

К работам Котельникова непосредственно примыкают исследования Д.Н. Зейлигера (1864—1936), впоследствии объединенные в книге «Комплексная линейчатая геометрия»^{223}. Зейлигер работал сначала в Одессе, а затем в Казани вместе с Котельниковым. Еще до приезда в Казань Зейлигер был известным механиком, одним из основоположников механики подобно изменяемого тела. Однако под влиянием Котельникова Зейлигер изменил тематику своих работ и последние десятилетия жизни занимался только развитием идей Котельникова, главным образом в их применении к геометрии.

Почти одновременно с Котельниковым, но в другом направлении вопросами неевклидовой механики заинтересовался Н.Е. Жуковский, посвятивший в 1902 г. этому вопросу работу «О движении материальной псевдосферической фигуры по поверхности псевдосферы»^{224}, однако большинство исследований по неевклидовой механике, произведенных в России, было посвящено развитию идей Котельникова.

БАЛЛИСТИКА

Вопросами баллистики в России занимались еще Л. Эйлер и Д. Бернулли, а в 40-е годы — Остроградский. Крымская война 1853—1856 гг. поставила перед отечественной артиллерией ряд задач, важнейшие из которых были обусловлены переходом от сферических снарядов к продолговатым, иными словами, от гладкоствольных к нарезным. К решению этих задач были привлечены многие специалисты, среди них П.Л. Чебышев, который с 1855 г. в течение более десяти лет работал в артиллерийском отделении Военно-ученого комитета, преобразованном затем в Артиллерийский комитет.

В 1867 г. Чебышев предложил формулу для определения дальности полета снарядов в воздухе, принимая, что сопротивление воздуха пропорционально кубу скорости, и делая другие допущения. Эта формула давала вполне удовлетворительные результаты при отлогой стрельбе сферическими снарядами с начальными скоростями не более 1200 фут/сек.

Работая в Артиллерийском комитете, Чебышев находился в тесном контакте с выдающимся баллистиком Н.В. Маиевским.

Николай Владимирович Маиевский (1823—1892) в 1843 г. окончил физико-математическое отделение Московского университета и, прослужив некоторое время в артиллерийских частях, поступил в офицерские классы Михайловского артиллерийского училища. В 1846 г. Маиевский окончил училище и с 1850 г. в течение многих лет работал в Артиллерийском комитете. С 1858 г. он начал в звании профессора читать лекции по баллистике в Михайловской артиллерийской академии (ныне Военная академия им. Ф.Э. Дзержинского).

Маиевский был первым артиллеристом, который читал лекции по баллистике в этой академии, — до него курс читался математиками. Маиевский был признанным главой мировой баллистической школы, «первым баллистиком в Европе». Научные достижения Маиевского послужили основанием для того, чтобы в 1870 г. Московский университет присвоил ему ученую степень доктора прикладной математики. В 1878 г. Маиевский был избран членом-корреспондентом Академии наук; он имел также военное звание генерала от артиллерии.

После Крымской войны, когда выявилась недостаточность экспериментальной и теоретической базы русской артиллерии, Маиевский начал систематические работы по внешней баллистике. В 1858 г. он провел экспериментальные исследования по определению закона сопротивления воздуха движению сферических снарядов. При этом сопротивление снаряда определялось двойным дифференцированием уравнения траектории центра массы снаряда, определяемой экспериментально, т. е. решением обратной задачи внешней баллистики.

Маиевский получил эмпирическую формулу для определения сопротивления сферических снарядов, расчет по которой приводил к результатам, близким к действительным. Описание этих опытов и их результаты он дает в статье «О выражении сопротивления воздуха при движении сферических снарядов», опубликованной в «Бюллетене Петербургской академии наук» за 1858 г. и в 1859 г. в «Артиллерийском журнале». В 1859 г. Маиевский обработал результаты опытов, проведенных в г. Меце, и получил новый, зональный закон сопротивления сферических снарядов, согласно которому интервал скоростей разбивался на ряд зон, при этом для каждой зоны устанавливался свой закон сопротивления. Эти формулы впервые были опубликованы в 1859 г. в литографированном курсе внешней баллистики Маиевского. Таким образом, он установил новый закон сопротивления, достаточно хорошо соответствующий действительности и долгие годы применявшийся во внешней баллистике.

В 1858 г. Маиевский занялся другим важным для артиллерии того времени вопросом, а именно проектированием нарезных орудий. Артиллерийское отделение Военно-ученого комитета приступило к проектированию нарезных орудий и продолговатых снарядов и возложило руководство опытами на Маиевского. Маиевский поставил опыт с целью изучения движения продолговатых снарядов, определения их кучности, составления таблиц стрельбы, определения наибольшей крутизны нарезки ствола при стрельбе продолговатыми снарядами из четырехфунтовых нарезных пушек. При обработке результатов опытов он использовал работу П.Л. Чебышева «Об интерполировании по методу наименьших квадратов», которая позволяла эмпирическим путем на основе формул интерполирования установить траекторию центра массы снаряда. Это был единственный практический метод обработки опытных данных, так как в то время не был известен закон сопротивления воздуха движению продолговатых снарядов, и Маиевскпй первым из артиллеристов России применил метод наименьших квадратов к обработке результатов стрельбы. Вместе с Чебышевым Маиевский также впервые в России использовал для этой цели теорию вероятностей.

В 1859 г. были закончены испытания четырехфунтовой нарезной пушки — сравнение ее с двенадцатифунтовой гладкостенной пушкой показало преимущества нарезных орудий.

Результаты своих исследований баллистических свойств нарезных орудий Маиевский опубликовал в «Артиллерийском журнале» в 1860 г. Глубокое изучение баллистических свойств нарезных орудий привело его к выводу о необходимости вооружения русской армии новым видом орудий. В своих лекциях и статьях он неизменно проводил эту мысль, неустанно пропагандировал новые идеи среди широкого круга артиллеристов. Маиевский непосредственно руководил переделкой существовавших гладкостенных орудий в нарезные.

Первоклассные береговые системы, спроектированные Маиевским, были приняты на вооружение береговой артиллерии не только в России (1876), но и в других странах — Австрии, Бельгии и Пруссии.

Работая над проектированием новых орудий, Маиевский продолжал свои исследования по давлению в канале ствола и сопротивлению воздуха движению вращающихся продолговатых снарядов. В 1865 г. он опубликовал в «Артиллерийском журнале» работу «О влиянии вращательного движения на полет продолговатых снарядов в воздухе», где впервые решил сложную задачу о движении вращающихся продолговатых снарядов. Это была первая крупная работа в области исследования баллистических свойств парезных орудий. В 1866 г. в «Артиллерийском журнале» появился труд Маиевского «О влиянии вращательного движения на углубление продолговатого снаряда в твердые среды». Эти две работы вскоре были переведены на французский язык и получили широкое распространение в Европе.

Дальнейшее развитие исследования Маиевского в области теории вращательного движения снаряда получили в его фундаментальном «Курсе внешней баллистики» (1870). Отличительной особенностью этого труда является органическая связь теоретических исследований с практическим применением результатов исследований в артиллерии. «Курс внешней баллистики» получил мировую известность и через два года был издан во французском переводе.

В 1872 г. Маиевский получил более общее, чем в 1870 г., решение задачи о движении оси снаряда в воздухе, проинтегрировав соответствующие уравнения аналитически при более общих предположениях. Он пришел к выводу, что плоскость нутации совершает колебательное движение вокруг среднего положения не только при настильной, но и при навесной стрельбе.

Исследования Маиевского по теории вращательного движения продолговатого снаряда получили широкое развитие. Они были продолжены его учеником Н.А. Забудским и многими другими учеными России и других стран. Н.А. Забудский (1853—1917) учился в Михайловском артиллерийском училище и Артиллерийской академии и начал преподавать в ней после защиты магистерской диссертации в 1880 г. Через десять лет ему было присвоено профессорское звание, а в 1911 г. он был избран членом-корреспондентом Парижской академии наук. Забудский является автором ряда работ: «Об угловой скорости вращения продолговатого снаряда» (1891), «Влияние вращательного движения Земли на полет снарядов» (1894), «Исследование о движении продолговатого снаряда» (1908) и др. Он издал также весьма обстоятельный курс «Внешней баллистики» (СПб., 1895).

Из Михайловского артиллерийского училища вышел также К.И. Константинов (1817—1871) — талантливый конструктор и автор работ по расчету и проектированию ракет.

Большой вклад в баллистику внес А.Н. Крылов, о творческом пути которого будет сказано несколько далее. Здесь мы отметим только, что А.Н. Крылов провел аналогию между колебаниями оси вращающегося снаряда и движением мачты корабля при качке. Для рассмотрения движения вращающегося снаряда он ввел вместо обычно применяемых так называемых эйлеровых углов угол между осью снаряда и плоскостью стрельбы, а также угол между касательной к траектории и проекцией оси снаряда на плоскость стрельбы, так как эти углы остаются малыми во все время движения снаряда. Воспользовавшись уравнениями Лагранжа, Крылов пришел к уравнению хорошо известного вида, которым в то время много занимались в связи с другими задачами. Однако в отличие от прежних задач баллистики функции, входящие в это уравнение, заданы не аналитически, а графически или в виде таблиц. Поэтому Крылов разработал специальный приближенный метод интегрирования этого дифференциального уравнения. Результаты интегрирования с достаточной для практики точностью дают картину движения снаряда. Сравнение уравнений Крылова с применявшимися ранее приближенными уравнениями Маиевского и других ученых показывает большую точность уравнений Крылова, они полнее охватывают всю картину полета снаряда и действующих при этом сил.

На основе анализа решения основного уравнения Крылов пришел к выводу, что вынужденные колебания снаряда, не зависящие от начальных условий, таковы: ось снаряда совершает прецессионное движение вокруг некоторой динамической оси, отклоненной от плоскости стрельбы вправо, если, глядя от данной части снаряда к его головной части, мы наблюдаем вращение его по часовой стрелке. Отсюда вытекает отклонение вращающегося снаряда от плоскости стрельбы — так называемая девиация. Крылов предложил специальный прибор для воспроизведения движения оси снаряда. Вычисления на основе теории, развитой Крыловым, прекрасно подтверждаются опытом.

Работы А.Н. Крылова по динамике вращательного движения продолговатого снаряда имеют большое теоретическое и практическое значение. Теория устойчивости движения снаряда и кучности стрельбы в значительной степени основывается на этих классических работах.

ТЕОРИЯ КОРАБЛЯ

Наряду с баллистикой другой важной областью прикладной механики, в развитии которой сыграли весьма значительную роль ученые России, является теория корабля. В рассматриваемый период теория корабля разрабатывалась главным образом в Военно-морской академии (ныне Военно-морская академия им. А.Н. Крылова). Основная заслуга в научном обосновании проектирования и строительства кораблей принадлежит А.Н. Крылову.

Алексей Николаевич Крылов родился 15 августа 1863 г. в Симбирской губернии в семье известного в то время литератора и общественного деятеля. В 1878 г. он поступил в Морское училище в Петербурге, особенно он интересовался механикой, математикой, физикой и химией. В 1884 г., по окончании училища, он был произведен в мичманы и назначен в компасную часть Главного гидрографического управления, где работал под руководством А.П. де Колонга (1839—1901) — выдающегося специалиста по компасному делу. В связи с этим первые теоретические работы и изобретения А.Н. Крылова относились к компасам. Вместе с тем уже в эти годы Крылова заинтересовали работы по кораблестроению, и в 1888 г. он был зачислен слушателем на кораблестроительное отделение Морской академии, которое закончил в 1890 г., после чего начал вести в академии курсы теории корабля. Вскоре он разработал оригинальную теорию килевой качки, которую включил в свой курс теории корабля.

А.Н. Крылов принимал активное участие в создании Петербургского политехнического института и в нем кораблестроительного отделения. Он ввел в институте созданный им курс «Вибрация судов», который впервые начал читать в Морской академии в 1901 г.

В 1900—1908 гг. Крылов заведовал Опытовым бассейном. Работу в бассейне Крылов проводил до начала войны с Японией в тесном сотрудничестве с адмиралом С.О. Макаровым (1848—1904). Приступив к этой работе, Крылов сразу же поставил вопрос о необходимости проведения испытаний всех судов и параллельно с этим испытаний их моделей.

В конце 1900 г. Крылов начал заниматься проблемой непотопляемости судов и составил таблицы непотопляемости броненосца «Петропавловск». В ноябре 1901 г. он представил в Морской технический комитет предложение о необходимости снабжения боевых кораблей таблицами непотопляемости.

Помимо вопроса о непотопляемости судов Крылов занимался вопросами создания оптических прицелов для установки на военных кораблях (с 1904 г.) и бронирования линейных кораблей (с 1905 г.), изучением меткости артиллерийской стрельбы во время качки корабля (с 1906 г.). Будучи главным инспектором кораблестроения и председателем Морского технического комитета (1908—1910), он принимал активное участие в проектировании и постройке первых русских линкоров типа «Севастополь».

Наряду с научной и научно-организационной работой Крылов продолжал и преподавательскую деятельность. Он по-прежнему читал лекции по теории корабля в Морской академии, а с 1900 г. — по дифференциальному и интегральному исчислению. Крылов создал курс «Приближенные вычисления» и в 1906 г. читал его на математическом факультете Петербургского университета.

В 1912 г. Крылов читал в Морской академии курс дифференциальных уравнений математической физики. Из этих курсов сложились две монографии А.Н. Крылова: «Лекции о приближенных вычислениях» (СПб., 1912) и «О некоторых дифференциальных уравнениях математической физики, имеющих приложение в технических вопросах» (СПб., 1913). Обе эти книги неоднократно переиздавались и были долгие годы настольными руководствами многих инженеров и ученых.

В ноябре 1914 г. А.Н. Крылов был избран членом-корреспондентом Академии наук по разряду физических наук и в этом же году по представлению П.Е. Жуковского — почетным доктором прикладной математики Московского университета. В 1916 г. Крылов был избран действительным членом Академии наук. В это же время он был назначен на должность директора Главной физической обсерватории. В октябре 1917 г. Крылов был назначен директором физической лаборатории, впоследствии — Физического института Академии наук. Мы не касаемся здесь научной и организационной деятельности А.Н. Крылова в советский период, которую он неутомимо продолжал до самой кончины, последовавшей 26 октября 1945 г. А.Н. Крылов был инженером и ученым-механиком и математиком. В его творчестве прекрасно сочетались прикладные интересы с глубоким пониманием исходных принципов классической механики и с удивительным умением интерпретировать и комментировать идеи ее основателей. Однако центральное место в исследованиях Крылова, несомненно, занимают его работы по теории корабля, принесшие ему мировую известность.

Вскоре после первых научных исследований по девиации компаса Крылов начал заниматься весьма широкой проблемой — проблемой теории корабля, которая, как он писал, составляет часть прикладной механики. Задачу о корабле он начал решать в самой общей постановке, вместе с тем ставя целью получить наиболее простое решение, которое было бы пригодно при рассмотрении конкретных задач.

В 1894 г. Крылов опубликовал «Новый метод вычисления элементов подводной части корабля». Здесь он предложил весьма простые и удобные приемы вычисления основных характеристик корабля — плавучести и остойчивости, ставшие общепринятыми в области кораблестроения. Особенно важно исследовать плавучесть и остойчивость при наличии подводных пробоин, такие исследования составляют предмет особого раздела теории корабля — непотопляемости.

Вслед за работами по теории плавучести и остойчивости Крылов занялся исследованиями качки корабля на волнующейся поверхности моря. Вопросами килевой качки, когда движение корабля по курсу перпендикулярно набегающим волнам, он начал заниматься в 1895 г. В этом же году появилась его первая печатная работа по качке корабля.

В 1896 г. Крылов прочитал в Обществе корабельных инженеров в Лондоне доклад на тему «Теория килевой качки корабля на волнении». Он указал, что до настоящего времени теории килевой качки не было, так как предположения, на которых основывается теория боковой качки, разработанная английским ученым В. Фрудом еще в 1871 г., здесь неприменима. Фруд допускал, что размерами корабля по сравнению с расстоянием между соседними гребнями волн можно пренебречь, когда направление движения корабля параллельно гребням. Один из важных вопросов в области килевой качки — вопрос о величине напряжений различных частей корабля, возникающих при качке, пытался решить в 1758 г. Эйлер, однако его идеи были подхвачены лишь через сто лет Э. Ридом, главным инженером Британского флота, знаменитым английским конструктором.

Крылов вначале рассмотрел случай чисто килевой качки корабля, идущего под прямым углом к гребням волн, и вывел уравнения движения корабля. Он предполагал, что на корпус корабля действует гидростатическое давление и профиль волны синусоидальный. При решении этой сложнейшей задачи динамики Крылов использовал достижения своих предшественников в области механики и математики — работы Эйлера о движении твердого тела, Лагранжа — по составлению уравнений движения любой системы в любых координатах, Лапласа — о движении небесных тел, Остроградского — по интегрированию уравнений динамики и пр.

Огромная эрудиция позволила Крылову разработать математическую теорию килевой качки не только при указанных выше предположениях, но и при более общих условиях — когда давление воды гидродинамическое, а профиль волны циклоидальный, и создать общую теорию качки, в которой рассматриваются все виды колебательных движений корабля на волнении. Крылов вывел дифференциальные уравнения для определения колебания корабля на волнении и, пользуясь методами небесной механики, дал решение этих уравнений.

Общая теория килевой качки также была доложена Крыловым в Английском обществе корабельных инженеров (1898). В том же году Крылов доложил в Обществе работу «Об усилиях, испытываемых кораблем на волне». Эта работа содержит одно из применений общей теории качки корабля. В ней дан оригинальный метод определения динамических изгибающих моментов и перерезывающих сил, действующих на корпус корабля. Задача, казавшаяся многим кораблестроителям неразрешимой, была решена Крыловым аналитически, притом в легкой и пригодной для практических применений форме. За этот второй доклад Крылову была присуждена золотая медаль Общества, впервые врученная иностранцу.

Наряду с исследованием килевой качки Крылов развил и усовершенствовал теорию боковой качки корабля.

С исследованиями Крылова по качке корабля непосредственно связаны его работы по теории стабилизации корабля, именно по созданию устройств для уменьшения качки корабля.

Методы исследования, развитые Крыловым в области теории корабля, могут быть применены при решении задач в различных областях механики, как, например, в теории гироскопов, в баллистике.

Работами Крылова о качке корабля было положено начало новой науки — строительной механики корабля. Крылов является создателем основ этой пауки, разработка которой велась его учеником И.Г. Бубновым (1872— 1919), П.Ф. Папковичем (1887—1946) и др.

Крылов исследовал также весьма важный в строительной механике корабля Еопрос о вибрации, вызываемой работой машины. Этот вопрос возник после обнаружения значительной вибрации крейсеров «Громобой» и «Баян». В 1901 г. Крылов разработал теорию вибрации корабля. Он впервые применил теорию колебаний к расчету корабельных конструкций и в 1908 г. издал курс «Вибрации судов», в котором даны систематическое изложение теории колебаний систем с одной или несколькими степенями свободы, приложение теории колебаний к расчетам корпусных конструкций, общая теория вынужденных колебаний корабля под воздействием возмущающих сил, вызывающих его вибрацию. Этот курс был издан на основе лекций, прочитанных в 1907 г. в Петербургском политехническом институте, и явился первым в мире курсом по вибрации корабля.

Примененные Крыловым методы математического анализа в работах по вибрации корабля могут быть использованы и в других областях прикладной математики и механики. Основой этих методов является численное интегрирование дифференциальных уравнений, к которым сводятся различные задачи математической физики и задачи кораблестроения.

Крылов заложил основы не только теоретических, но и экспериментальных исследований по строительной механике корабля. Им был создан прибор для регистрации напряжений, возникающих в связях корабля во время плавания. Первые записи с помощью этого прибора были произведены в 1902 г. Крылов провел также опыты по определению нагрузок, действующих в условиях льда. Опыты показали, что изгибающие моменты в корпусе ледокола в условиях льда могут в 1,5 раза превысить расчетные моменты на волне.

Таким образом, Крылов положил начало исследованиям основных вопросов строительной механики корабля, причем его работы в этой области имеют значение не только для решения вопросов, связанных с проектированием корабля, но и для развития механики в целом. Здесь в первую очередь следует отметить исследования Крылова по теории колебаний, по решению статических и динамических задач механики.

Большое внимание А.Н. Крылов уделил теории гироскопов, которой начал заниматься в связи с изучением качки корабля, магнитных компасов, а затем полета снарядов. В 1907 г. он написал работу «Теория и расчет гироскопического успокоителя качки системы О. Шлика», которую доложил в 1908 г. в Петербургском политехническом институте и опубликовал в 1909 г. В этой работе Крылов разработал общую теорию гироскопического стабилизатора для уменьшения боковой качки корабля. Он рассмотрел гироскопы с двумя и тремя степенями свободы, гироскопический маятник, гирокомпас, гироскопический стабилизатор корабля и дал описание некоторых гироскопических приборов, причем для гирокомпаса исследовал его курсовую и баллистическую девиации.

ТЕОРИЯ УПРУГОСТИ И СОПРОТИВЛЕНИЕ МАТЕРИАЛОВ

Связь между прикладными задачами и теоретическими обобщениями в русской механике второй половины XIX — начала XX в. получила также яркое выражение в работах по теории упругости и сопротивлению материалов.

Задачи теории упругости и сопротивления материалов решались еще в XVII—XVIII вв.; выше говорилось, в частности, о некоторых работах в этой области, выполненных Эйлером.

В России развитие теории упругости тесно связано прежде всего с именем М.В. Остроградского, который опубликовал две статьи о малых колебаниях неограниченной изотропной упругой среды при данном начальном ее возмущении. Эти работы — «Об интегрировании уравнений в частных дифференциалах, относящихся к малым колебаниям упругой среды» и «Мемуар об интегрировании уравнений в частных дифференциалах, относящихся К малым колебаниям упругих тел» — были напечатаны в 1-м и 2-м томах «Мемуаров Петербургской академии наук» в 1831—1833 гг.

После работ М.В. Остроградского большой вклад в дальнейшее развитие теории упругости и сопротивления материалов внесли его ученики Д.И. Журавский, Г.В. Паукер, а также А.В. Гадолин, X. С. Головин, В.Л. Кириичев, Ф.С. Ясинский и многие другие. Д.И. Журавский (1821 — 1891) — воспитанник Института инженеров путей сообщения — был замечательным ученым и инженером, основоположником русской школы мостостроения. В работе «О мостах раскосной системы Гау» (СПб., 1855—1856) он первый дал теорию расчета мостовых ферм и формулу для расчета изогнутых балок на изгиб при наличии скалывающих напряжений в них. Крупнейшие иностранные ученые-механики, в том числе Сен-Венан, отметили значение работ Журавского как первого ученого, пополнившего теорию изгиба новым открытием. В ряде курсов вывод, полученный Журавским, называется теоремой Журавского.

Позднее, во второй половине XIX — начале XX в., среди русских мостостроителей особо выделялись профессора Н.А. Белелюбский (1845—1922) и Л.Д. Проскуряков (1858-1926).

Белелюбский построил первую в России лабораторию по испытанию материалов и провел большие работы по определению механических характеристик цемента и бетона. Проскуряков первым в России начал применять фермы с треугольной решеткой. Кроме того, он опубликовал несколько курсов по сопротивлению материалов, получивших широкое распространение в высших технических заведениях России.

Профессор Инженерной академии и почетный член Петербургской академии наук Г.Е. Паукер (1822—1889) был создателем первоклассных военных и портовых сооружений и большого числа гражданских зданий, а также автором первого в России курса «Строительной механики» (СПб., 1891). Ему принадлежит ряд исследований по расчету сводов и глубины залегания мостовых опор. В 1849 г. Паукер опубликовал большую работу «О проверке устойчивости цилиндрических сводов».

С именем профессора Артиллерийской академии А.В. Гадолина (1828—1892) связаны многочисленные усовершенствования в артиллерии. В работе «О сопротивлении стен орудия давлению пороховых газов при выстреле» («Артиллерийский журнал», 1861) он указал на необходимость руководствоваться при проектировании орудийных стволов началами теории упругости, в частности использовать для этого задачу Ламе (1795—1870) о равновесии полого цилиндра под действием равномерного внешнего и внутреннего давления. Он получил формулу Ламе для определения сопротивления стен цилиндра, подвергающихся внутреннему давлению. Формула, как показал Гадолин, давала величину наибольшего значения истинного давления; для определения нижней границы давления дается особая формула.

Значение другого исследования Гадолина — «Теория орудий, скрепленных обручами» («Артиллерийский журнал», 1861) — заключалось в предложенном впервые методе расчета упругопрочного сопротивления орудийных стволов при скреплении их стальными кольцами. За эту работу в 1864 г. автору была присуждена Большая Михайловская премия.

Разработкой прикладных вопросов теории упругости занимался военный инженер X. С. Головин (1844—1904). В работе «Одна из задач статики упругого тела» (1880— 1881) он впервые дал расчет упругой арки методами теории упругости. В этой работе Головин рассматривает плоскую задачу об изгибе бруса, на внешнем радиусе которого приложены силы, распределенные по определенному закону, а на внутреннем радиусе внешние силы отсутствуют.

Большая заслуга в развитии механики и сопротивления материалов принадлежит В.Л. Кирпичеву (1845— 1913). Кирпичев учился в Михайловской артиллерийской академии и в ней же начал в 1868 г. преподавательскую деятельность. Позднее Кирпичев преподавал также в Петербургском технологическом институте (с 1876 г. — в качестве профессора). В 1885 г. он был поставлен во главе вновь учрежденного Харьковского технологического института, а в 1898 г. — Киевского политехнического института; в организации обоих он принял решающее участие. С 1903 г. Кирпичев работал в Петербургском политехническом институте. Здесь он создал лабораторию прикладной механики, где под его руководством проводились научные исследования, в частности изучение деформаций оптическим методом. Кирпичев читал многие курсы — механику, сопротивление материалов, графическую статику, детали машин и др. Он написал ряд учебников, среди них «Сопротивление материалов» (СПб., 1884), «Основания графической статики» (1902) и широко известные «Беседы о механике» (1907). В статье «О подобии при упругих явлениях» («Журнал Русского физико-химического общества», 1874) Кирпичев вывел условия подобия упругих тел, сделанных из одного материала: два таких тела, подобные до приложения к ним внешних сил, остаются подобными и после их действия, если силы распределены по поверхностям обоих тел подобным образом и величины соответствующих сил на единицу поверхности каждого из тел одинаковы.

Значительный вклад в развитие теории упругости, сопротивления материалов, статики сооружений внес Ф.С. Ясинский (1856—1899). По окончании Петербургского института инженеров путей сообщения Ясинский работал на железных дорогах. В 1896 г. он был избран профессором Петербургского института инженеров путей сообщения. Большая часть научных исследований Ясинского связана с его инженерной деятельностью. В 1893 г. он опубликовал большую работу «Опыт развития теории продольного изгиба». Кроме того, ему принадлежит ряд важных работ по теории устойчивости упругих стержней. В начале своей научной деятельности теорией упругости успешно занимался выдающийся математик

B. А. Стеклов, имя которого нам еще встретится далее. В 1893 г. он напечатал три работы: «Одна задача из теории упругости», «О равновесии упругих цилиндрических тел», «О равновесии упругих тел вращения», а в 1899 г. появилась его четвертая работа «К задаче о равновесии упругих изотропных цилиндров». Все они были опубликованы в «Сообщениях Харьковского математического общества».

Вопросы устойчивости упругих систем приобрели в начале XX в. огромное значение в различных областях техники, поэтому многие русские ученые весьма серьезно занимались решением связанных с этой проблемой задач.

В этой области важные результаты были получены

C. П. Тимошенко (родился в 1878 г.), который до 1919 г. преподавал в Петербургском и Киевском политехнических институтах; в 1920 г. Тимошенко выехал за границу. До отъезда из России он написал много работ по теории устойчивости упругих систем (стержней, пластин, оболочек). За работу «Об устойчивости упругих систем» («Известия Киевского политехнического института», 1910) Тимошенко был удостоен премии Д.И. Журавского. В этой работе он оригинально развил приближенный метод Дж. Рэлея и В. Ритца для определения частот колебаний в упругих системах; прием Тимошенко основан на рассмотрении энергии системы. Помимо большого числа научных исследований Тимошенко написал замечательные учебники: «Курс сопротивления материалов» (изд. 1. Киев, 1911), «Курс теории упругости» (СПб., 1914) и др. Учебниками Тимошенко до сих пор пользуются в высших учебных заведениях.

Новый приближенный метод интегрирования дифференциальных уравнений теории упругости был разработан профессором Петербургского политехнического института и Морской академии И.Г. Бубновым (1872—1919). Впервые этот метод, не связанный с вычислением энергии системы, Бубнов описал в 1911 г. в отзыве на упомянутое выше сочинение Тимошенко, представленное на премию имени Журавского. Затем Бубнов использовал этот метод для решения задач на устойчивость пластин, важных в расчетах обшивки корабельного корпуса. Задачи на расчет жестких и гибких пластин разобраны в известном курсе Бубнова «Строительная механика корабля» (СПб., 1912). Бубнову принадлежат очень большие заслуги в теории и практике кораблестроения, в частности он явился в России пионером строительства подводных лодок, первая из которых была спущена на воду в 1903 г.

Дальнейшее развитие метод Бубнова получил в трудах Б.Г. Галеркина (1871—1945), прежде всего в статье «Стержни и пластинки» («Вестник инженеров», 1915). Воспитанник Петербургского политехнического института, Галеркин начал преподавательскую и научную деятельность в 1909 г. Особенно широко развернулось его научное творчество уже после Октябрьской революции.

Метод Бубнова — Галеркина, в некоторых отношениях более общий и простой, чем метод Рэлея—Ритца—Тимошенко, получил очень широкое распространение, применяется он и теперь к ряду задач вариационного исчисления, функционального анализа и математической физики.

В связи с потребностями кораблестроения теорией упругости занимался и А.Н. Крылов. В частности, ему принадлежит подробное исследование вынужденных колебаний стержней постоянного сечения, сперва напечатанное в «Mathematische Annalen» за 1905 г. и затем включенное в упоминавшийся курс дифференциальных уравнений математической физики. Обобщенный для этой задачи метод Пуассона, примененный Пуассоном к свободным колебаниям, Крылов применил к вынужденным колебаниям груза, подвешенного к концу растяжимой нити, и к связанным с этой задачей вопросам — теории индикатора паровой машины, измерению давления газа в канале орудия и к крутильным колебаниям вала с маховиком на конце.

Целый ряд задач теории упругости — по устойчивости стержней и пластин, вибрациям стержней и дисков и пр. — решил в 1911—1913 гг. А.Н. Дынник (1876— 1950). Дынник окончил Киевский политехнический институт в 1899 г. и с 1911 г. состоял профессором Горно-металлургического института в Днепропетровске. Он продолжал успешные изыскания по теории упругости и в советский период.

К 1914 г. относится начало работ по теории упругости Л.С. Лейбензона (1879—1951) — прежде всего по устойчивости упругого равновесия длинных сжатых стержней с первоначальным кручением около прямолинейной оси стержня, а затем по устойчивости сферической и цилиндрической оболочек. Практическое значение первой задачи ясно из того, что всем известные теперь сетчатые башни системы В.Г. Шухова составлены из закрученных прямолинейных образующих.

Исследованиями в области теории упругости занимался в начале XX в. и С.А. Чаплыгин. К 1900 г. относятся его рукописи «Деформация в двух измерениях» и «Давление жесткого штампа на упругое основание», которые впервые были напечатаны лишь в 1950 г. В этих статьях Чаплыгин разработал метод решения плоской задачи теории упругости, основанный на применении теории функций комплексного переменного, и использовал его при решении задачи об эллиптическом отверстии в бесконечной плоскости и задачи о вдавливании прямоугольного штампа в упругую полуплоскость.

Аналогичный метод решения плоской задачи теории упругости был разработан Г.В. Колосовым (1867—1936). В 1909 г. Колосов опубликовал весьма важную работу «Об одном приложении теории функций комплексного переменного к плоской задаче математической теории упругости», где им были установлены формулы, выражающие компоненты тензора напряжений и вектора смещения через две функции комплексного переменного, аналитические в области, занимаемой упругой средой. В 1916 г. метод Колосова был применен к тепловым напряжениям в плоской задаче теории упругости Н.И. Мусхелишвили. Деятельность Мусхелишвили, как и некоторых других названных здесь ученых, развернулась во всей широте уже после Октябрьской революции.

ФИГУРЫ РАВНОВЕСИЯ ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ЖИДКОСТИ

Вкратце остановимся на проблеме фигур равновесия вращающейся жидкости, в разработку которой основной вклад внес А.М. Ляпунов.

Ньютон показал, что под влиянием центробежных сил и взаимного притяжения своих частиц однородная жидкость при малой угловой скорости принимает форму сжатого эллипсоида вращения. Вопрос о форме, принимаемой равномерно вращающейся вокруг неподвижной оси жидкой массой, все частицы которой взаимно притягиваются по закону Ньютона, приобрел весьма важное значение при исследовании проблем космогонии.

В XVIII—XIX вв. при решении этой проблемы исходили из гипотезы о том, что на некоторой стадии развития небесные тела были жидкими. А. Клеро показал, что если скорость вращения жидкой массы очень мала, то за поверхности уровня с достаточной степенью точности могут быть приняты поверхности эллипсоидов вращения. Но этот результат справедлив лишь в первом приближении, а теория Клеро не позволяла найти более высокие приближения. Затем А. Лежандр и П. Лаплас предложили методы, которые позволяли находить последовательные приближения.

В 1829 г. Пуассон отметил, что результаты Лежандра и Лапласа также оставляют желать много лучшего, поскольку не был исследован вопрос, будут ли сходящимися ряды, к которым приводят их методы. Создавшаяся ситуация и побудила Ляпунова продолжить исследования. Ляпунов в отличие от Лежандра, Лапласа и Пуассона не пользовался разложением в ряд, а рассмотрел уравнения задачи (из которых первое является уравнением Клеро) при весьма общих предположениях о законе распределения плотности вращающейся жидкой массы.

Ляпунов поставил вопрос в общей форме и, основываясь на положении Лагранжа о минимуме потенциала, дал строгое решение задачи.

В магистерской диссертации «Об устойчивости эллипсоидальных форм равновесия вращающейся жидкости» (1884) Ляпунов впервые дал точное определение понятия устойчивости вращающейся жидкости. Он доказал, что признак устойчивости системы, обладающей конечным числом степеней свободы, не может быть перенесен на случай движения жидкости, имеющей бесконечное число степеней свободы. Далее Ляпунов установил достаточный критерий устойчивости фигур равновесия и показал, что эллипсоид вращения является устойчивой фигурой равновесия, если его эксцентриситет не превышает некоторой, определенной Ляпуновым величины.

В 1901 г. Ляпунов, преодолев огромные математические трудности и разработав ряд новых аналитических методов, выполнил строгое исследование вопроса о существовании новых фигур равновесия жидкости, равномерно вращающейся вокруг некоторой оси, если частицы жидкости взаимно притягиваются по закону Ньютона.

«Даже с внешней стороны серия мемуаров и отдельно изданных книг [Ляпунова] по вопросу о фигурах равновесия вращающейся жидкости поражает своей грандиозностью», — отмечал Стеклов^{225}.

Основной результат исследования Ляпунова таков: при наложении определенных требований на плотность жидкости для всех значений угловой скорости вращения, не превосходящих некоторого определенного предела, существует фигура равновесия вращающейся массы неоднородной жидкости, находящейся в поле своего собственного тяготения.

Работы Ляпунова по фигурам равновесия вращающейся жидкости вызвали длительную дискуссию Ляпунова с английским ученым Дж. Дарвином (1845—1912).

Дж. Дарвин исследовал вопрос об устойчивости форм равновесия вращающейся жидкости, которым А. Пуанкаре (1854—1912) дал название грушевидных (для случая вязкой жидкости). По формулам Пуанкаре, которыми пользовался английский ученый, устойчивость или неустойчивость зависит от знака некоторой величины А.

Пользуясь методом приближенных вычислений, Дарвин после весьма сложных расчетов нашел А < 0, откуда следовало, что эти формы устойчивы. На этом Дж. Дарвин построил свою космогоническую гипотезу развития двойных звезд.

Однако грушевидные фигуры равновесия получаются как частный случай из бесчисленного множества других фигур равновесия, строго выведенных Ляпуновым, причем для А получается точное выражение в виде алгебраической функции двух аргументов. Это позволило Ляпунову в результате довольно сложных вычислений, проверенных несколькими способами, показать, что А > 0, т. е. грушевидные формы неустойчивы. Иными словами, воспользовавшись без достаточной математической осторожности приближенными формулами, Дж. Дарвин получил ошибочный результат.

Об этом разногласии Ляпунов писал в работе «Об одной задаче Чебышева» (1905) и в серии мемуаров «О фигурах равновесия вращающейся и однородной жидкой массы, мало отличных от эллипсоидов», печатавшейся в «Записках Академии наук» в 1906—1914 гг. В третьей части этой работы, вышедшей в 1912 г., он подробно изложил выводы своих точных формул и все вычисления.

Пуанкаре утверждал в 1911 г., что «грушевидная форма, может быть, устойчива, но нет уверенности, что это действительно так». Дж. Дарвин считал эту фигуру устойчивой; Ляпунов же пришел к противоположному результату. Чтобы окончательно доказать правильность своей точки зрения, Ляпунов опубликовал ряд фундаментальных работ, в которых дал безукоризненное математическое доказательство своего утверждения. Таким образом, возникшая между А.М. Ляпуновым и Дж. Дарвином полемика закончилась полной победой русского ученого. Впрочем, на Западе отдельные ученые продолжали сомневаться, на чьей стороне истина. Только в 1917 г., после опубликования работы Дж. Джинса (1877—1946), зарубежные ученые окончательно признали полную правоту Ляпунова. Джине обнаружил ошибку в вычислениях Дж. Дарвина, приведшую к неверному выводу об устойчивости грушевидных фигур.

Труды Ляпунова по фигурам равновесия вращающейся жидкости до сих пор остаются непревзойденными. Все работы отечественных и зарубежных ученых, выполненные после смерти Ляпунова, в той или иной степени основаны на его идеях и методах.

ГИДРОДИНАМИКА И ГИДРАВЛИКА

Важнейшим результатом развития механико-математической мысли в России в конце XIX и в начале XX в. было появление классических работ по гидродинамике и гидравлике, принадлежащих Н.Е. Жуковскому.

Николай Егорович Жуковский (1847—1921), сын инженера, окончил физико-математический факультет Московского университета в 1868 г. С 1872 г. он преподавал в Московском техническом училище сначала математику, а затем — с 1874 по 1919 г. — механику. В 1886 г. Жуковский возглавил кафедру механики в Московском университете и в течение многих лет руководил Московским математическим обществам, с 1903 г. как его вице-президент и с 1905 г. — как президент.

Преподавательская работа в двух крупнейших учебных заведениях России отражала в некоторой мере основное направление научной деятельности Жуковского, его стремление увязать развитие научных и технических идей и на основе общих теоретических построений получать решения задач, выдвигаемых практикой.

Жуковского особенно привлекал своей наглядностью геометрический метод изложения механики. В своей магистерской диссертации «Кинематика жидкого тела» (1876) он наряду с аналитическим методом широко использует геометрический метод исследования, что дало ему возможность представить ясную картину законов движения частицы жидкости в потоке. Эта работа открыла ряд его исследований в области гидродинамики.

Уже в первые годы научной деятельности Н.Е. Жуковский исследует широкий круг вопросов в области общей механики, механики твердого тела, гидродинамики, астрономии. Он изучает вопрос об ударе твердых тел (1878—1885), о гироскопических приборах и маятниках (1881—1895), дает геометрическую интерпретацию общего случая движения твердого тела вокруг неподвижной точки (1892). Особое место среди его работ по общей механике занимает докторская диссертация «О прочности движения», которую Жуковский защитил в 1882 г. В этом исследовании, посвященном одной из кардинальных проблем механики, Жуковский впервые ввел понятие о мере устойчивости движения, разработал метод оценки устойчивости движения.

В этом разделе мы рассмотрим работы Жуковского в области гидродинамики и гидравлики. В 1885 г. он опубликовал капитальный труд «О движении твердого тела, имеющего полости, наполненные однородной капельной жидкостью». Во введении он отмечает, что в первой и второй части работы рассмотрена общая теория движения тела и заключенных в нем твердых и жидких масс при условии отсутствия трения и в предположении, что скорости жидкостей имеют потенциал. Жуковский указывал, что в этом случае поступательное движение твердого тела с полостями, наполненными жидкостями, не будет отличаться от движения сплошного твердого тела, так как оно не вызывает движения частиц относительно тела. Вращательное же движение тела вызывает и полностью определяет относительное движение жидкости в полостях. В этой работе, получившей в Московском университете премию имени Брашмана, проявились основные черты научного творчества Жуковского.

В 1887 г. были изданы лекции Жуковского по гидродинамике, которые он читал в Московском университете. Во введении к лекциям он отметил, что гидродинамика является одной из блестящих глав механики, дал анализ ее развития, начиная с работ Даниила Бернулли, Даламбера, Эйлера.

В этой работе Жуковский, по-прежнему используя геометрический метод исследования, дал картину движения с образованием струй. Метод Жуковского можно было применить к исследованию турбин, удара бесконечного потока о тела, ограниченные кривыми контурами, истечения жидкости из сосудов с кривыми стенками.

При решении вопроса о течениях с отрывом струй Жуковский использовал математический аппарат теории функций комплексного переменного, который впоследствии нашел широкое развитие и применение в работах русских механиков. Жуковский развил также и фрикционную теорию сопротивления среды движущимся в ней телам. В 1887—1890 гг. он распространяет эту теорию на случай определения сопротивления судов и в работе «О форме судов», опубликованной в 1890 г., четко формулирует понятие о пограничном слое. Таким образом, в 70—80-е годы XIX в. Н.Е. Жуковский исследует задачи классической теоретической механики и гидродинамики и создает новые методы исследования в этой области.

В конце 80-х годов XIX в. характер и направление работ Жуковского несколько изменяются: появляются исследования, непосредственно связанные с требованиями техники, и они начинают занимать все большее место. Следует отметить, что на работах Жуковского сказалось развитие не столько старых, «классических», отраслей промышленности, но преимущественно новых тенденций в развитии техники. Вернее, в творчестве Жуковского мы видим переход от проблем, навеянных старыми отраслями техники (водопровод, железнодорожный транспорт и др.), к проблемам, связанным с новыми отраслями (авиация).

В области гидравлики Жуковский выполнил крупные исследования, связанные с течением грунтовых вод; непосредственным поводом здесь послужили задачи, возникшие при реконструкции московского водопровода. В работах «Теоретическое исследование о движении подпочвенных вод» (1888) и «О влиянии давления на насыщенные водою пески» (1888) Жуковский установил связь между изменением уровня подпочвенных вод и изменением барометрического давления. Он показал, что величина колебания уровня подпочвенных вод зависит от толщины водоносного слоя, и вывел формулы для определения запаса воды, имеющегося под землей. При решении этих вопросов Жуковский широко пользовался экспериментальными данными.

Эти исследования Жуковского были подытожены в 1898 г. опубликованием капитального труда «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах». В то время никак не могли решить весьма сложный вопрос о причинах аварий магистральных труб Рублевского водопровода. Жуковский установил, что причиной этих аварий является гидравлический удар, т. е. явление резкого повышения давления в трубах при быстром закрытии задвижки в трубе. На основании многих опытов он выявил физическую сущность явления гидравлического удара и дал формулы для определения времени, необходимого для безопасного закрытия водопроводных труб (без появления гидравлического удара), а также способ предохранения водопровода от повреждений вследствие гидравлического удара. Теория гидравлического удара, уже в первые годы своего появления ставшая известной за рубежом, принесла Жуковскому мировую славу; до настоящего времени она является основой решения задач, связанных с явлениями гидравлического удара.

Исследованиями по гидравлическому удару Жуковский показал, какие широкие возможности открывает эксперимент. Сочетание теоретических и экспериментальных исследований и в дальнейшем является характерной чертой научного творчества Жуковского. Н.Е. Жуковский возвращался к тому же кругу вопросов и позднее, в статьям «К вопросу о величине диаметра водонапорной колонны, соединенной длинной трубой с открытым резервуаром» (1902) и «О повреждении водопроводных труб, случившемся 7 февраля 1914 г.».

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 в творчестве Петрова были задачи техники, которые он подвергал глубокой научной трактовке. Таковы, например, его важные исследования, посвященные прочности рельсов, давлению колес на них, устойчивости железнодорожных путей, тормозным системам и пр. Таковы были и его исследования по гидродинамической теории смазки, доставившие ему мировую известность. Петров сам указывал, что они были вызваны нуждами современной промышленности, переходившей от применения органических смазывающих веществ к минеральным. Последние начала производить возникшая тогда в России нефтяная промышленность. Минеральные вещества были значительно дешевле, чем органические, однако первоначально вследствие неумелого применения использование их давало плохие результаты.

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, где воспитал целую плеяду последователей. В 1910 г. он был избран академиком (членом-корреспондентом Академии наук он состоял с 1903 г.). После Октябрьской революции Стеклов в числе других представителей русской интеллигенции стал на сторону Советской власти. В качестве вице-президента Академии наук он вел большую и чрезвычайно плодотворную научно-организационную работу.

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.

В 1890—1891 гг. Жуковский ставит эксперименты с целью изучения закона изменения положения центра давления крыла с простейшим профилем — плоской пластинки. Уже тогда он обратил внимание на важность исследования вопросов устойчивости посредством испытаний планеров и змеев.

Жуковский изучает также вопрос о тяге винта. Он рассматривает вопрос о возможности создания летательных аппаратов тяжелее воздуха с машущими крыльями, о целесообразности применения многовинтовых геликоптеров, о прочности гребных винтов («К теории летания» — 1890, «О крылатых пропеллерах» — 1898, «О полезном грузе, поднимаемом геликоптером» —1904). Он определяет условия наиболее экономичного полета самолета и в 1897 г. дает метод вычисления наивыгоднейшего угла атаки («О наивыгоднейшем угле наклона аэроплана»).

Жуковский придавал большое значение постановке опытов в аэродинамических трубах. В его университетской лаборатории в 1902 г., а затем в 1905—1906 гг. были построены аэродинамические трубы. В 1904 г. по идее Жуковского был основан Аэродинамический институт в Кучино, оборудованный новейшими по тому времени приборами.

Наблюдения над полетом моделей самолетов и змеев, многосторонние экспериментальные исследования аэродинамических сил, действующих на простейшее крыло — пластинку, изучение динамики взаимодействия поступательного и вращательного движений тела и, конечно, глубокие изыскания в области классической гидродинамики позволили Жуковскому в 1905 г. дать исчерпывающее решение задачи о подъемной силе. В замечательной работе «О присоединенных вихрях» (1906) он установил, что подъемная сила возникает в результате обтекания потоком неподвижного присоединенного вихря или системы вихрей, которыми можно заменить тело, находящееся в потоке жидкости. Основываясь на этом, Жуковский доказал знаменитую теорему, позволяющую вычислить величину подъемной силы. По формуле Жуковского, величина подъемной силы равняется произведению плотности воздуха, циркуляции скорости потока вокруг обтекаемого тела и скорости движения тела. Правильность теоремы была подтверждена на основе экспериментов с вращающимися в потоке воздуха продолговатыми пластинками, поставленных по идее Жуковского в 1905—1906 гг. в аэродинамической лаборатории Кучинского института.

Однако применить теорему Жуковского к решению задачи о подъемной силе крыла сразу не удалось, так как еще неизвестно было, как определять величину циркуляции скорости по замкнутому контуру, охватывающему тело, входящую в формулу Жуковского.

В 1910 г. Н.Е. Жуковским и С.А. Чаплыгиным была решена задача о силах, действующих на крыло бесконечного размаха.

Введение Жуковским и Чаплыгиным постулата о сходе с задней кромки струй от верхней и нижней поверхностей крыла, так называемого постулата Жуковского — Чаплыгина, позволило полностью решить задачу о подъемной силе крыла, определить момент этой силы, разработать профиль для крыльев самолетов (профили Жуковского—Чаплыгина). Вместе с тем Жуковский впервые исследовал вопрос о профильном сопротивлении крыла и установил, что существует сопротивление, обусловленное сбеганием вихрей с острой передней кромки крыла.

Этим исследованиям крыла бесконечного размаха посвящен ряд работ Жуковского 1910—1911 гг.: «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов», «Геометрические исследования о течении Кутта», «О поддерживающих планах типа Антуанетт», «Определение давления плоскопараллельного потока жидкости на контур, который в пределе переходит в отрезок прямой».

Исследования Н.Е. Жуковского о подъемной силе составляют основу современной аэродинамики, его теорема о подъемной силе имеет фундаментальное значение для теории крыла.

В связи с развитием работ по аэродинамике по инициативе Жуковского создаются новые лаборатории, расширяются старые. В 1910 г. была основана аэродинамическая лаборатория в Московском техническом училище, где появился, в частности, новый тип труб с плоским потоком, широко применяемый ныне; расширена аэродинамическая лаборатория в Московском университете, в которой была построена новая труба, создан прибор для исследования гребных винтов, а также установка для изучения законов истечения газа. Необходимость изучать течение сжимаемой жидкости была ясна Жуковскому еще в начале его деятельности. Уже в работе «Кинематика жидкого тела» (1876) он разбирал одновременно свойства сжимаемой и несжимаемой жидкости.

В 1908 г. Жуковский обратил внимание на то, что коэффициент сопротивления начинает быстро возрастать при приближении скорости потока к скорости звука. На установке для изучения истечения газа по его идее проводились опыты для определения скорости истечения и силы удара вытекающей струи на маленькие тела.

В области аэродинамики больших скоростей Жуковский написал ряд статей: «Аналогия между движением тяжелой жидкости в узком канале и движением газа в трубе с большой скоростью» (1912); «О движении воды в открытом канале и о движении газов в трубах» (1917); «Движение волны со скоростью, большей скорости звука» (1919) и др. В последней работе Жуковский изложил теорию распространения плоской и сферической волн при больших скоростях и показал возможность применения ее к определению сопротивления снарядов.

В аэродинамических лабораториях Московского университета и Московского технического училища в 1910—1911 гг. были поставлены эксперименты с целью проверки результатов теоретических исследований Жуковского об аэродинамических профилях. С той точностью, какую мог дать в то время эксперимент, теория Жуковского была подтверждена. Вместе с этим опыты с профилями Жуковского позволили установить их ценные аэродинамические свойства, указать направление, в котором должны проводиться изыскания при проектировании различных профилей.

Мысль Жуковского о присоединенных вихрях послужила основой для дальнейшего развития теории крыла и создания вихревой теории винта. Возможность перехода от схемы присоединенного вихря крыла бесконечного размаха к вихревой системе крыла конечного размера и лопасти винта была логически обоснована Жуковским с помощью теоретических исследований Гельмгольца о вихрях, а также на основании экспериментальных данных об образовании вихрей за винтом. Идея замены крыла конечного размаха вихревой схемой лежит в основе исследований С.А. Чаплыгина о подъемной силе и сопротивлении крыла конечного размаха (1913).

Жуковский, предполагая, что лопасть винта эквивалентна П-образному вихрю, создал вихревую теорию винта. Эта теория была опубликована в четырех статьях в 1912, 1913, 1915 и 1918 гг. под одним и тем же названием: «Вихревая теория гребного винта». Теория Жуковского позволяет проектировать и строить воздушные винты всех типов: самолетные винты, вентиляторы аэродинамических труб, несущие винты геликоптеров и т. д. На основе этой теории были построены винты Жуковского — «винты НЕЖ», которые имели значительно лучшие характеристики, чем винты, построенные в то время за границей.

Разработка теории винта является одним из вопросов того широкого круга задач в области аэродинамики и авиации, которым занимался Жуковский. В поле зрения Жуковского были все основные вопросы, выдвигавшиеся быстро развивающейся авиацией, а также вопросы, перспективность развития которых он предвидел.

Придавая большое значение исследованию сопротивления среды, Жуковский уже в 1907—1908 гг. поставил ряд опытов по определению сопротивления шара при малых скоростях и установил, что коэффициент сопротивления шара изменяется в зависимости от величины скорости — результат, позднее полученный А. Эйфелем (1832— 1923), Л. Прандтлем (1875—1953) и др. Причины этого изменения Жуковский на основе анализа спектров обтекания шара объяснил изменением характера обтекания шара при увеличении скорости.

Жуковский считал, что причиной сопротивления тел, движущихся в жидкости, являются «убегающие» с поверхности тела вихри. Поэтому, когда в 1911—1913 гг. появилась теория Кармана — Прандтля, в которой определение сопротивления тел основывалось на рассмотрении вихревой картины, образующейся за обтекаемым телом, Жуковский посвятил ей свое сообщение, сделанное в 1913 г. в Отделении физических наук Общества любителей естествознания («Вихревая теория лобового сопротивления, данная проф. Карманом», 1914).

Особое значение придавал Жуковский изучению устойчивости самолета. Читая в Московском техническом училище лекции по теории авиации, Жуковский в 1912 г. касался вопросов статической продольной устойчивости самолета, в 1913 г. офицерам-летчикам прочел специальную лекцию по динамике самолета «Динамика аэропланов в элементарном изложении (статья первая)», а в 1916 г. под тем же названием была опубликована вторая статья Жуковского. В этих лекциях рассматривается продольная и поперечная устойчивость, дается расчет различных фигур: виража, «мертвой петли» и др., изложены также методы аэродинамического расчета.

Жуковский создал первые научно обоснованные и точные методы аэродинамического расчета самолетов. В 1910—1912 гг. он разработал теорию, в которой имелись основные элементы графоаналитических методов аэродинамического расчета самолета по кривым располагаемых и потребных тяг и мощности (теория глиссад). В 1915—1917 гг. Жуковский развил разработанные им методы аэродинамического расчета самолетов и ввел новые диаграммы, впоследствии получившие название сеток Жуковского.

В 1916—1917 гг. Жуковский и его ученики А.Н. Туполев (1888—1972) и А.И. Некрасов (1883—1957) значительно усовершенствовали указанный метод аэродинамического расчета и предложили ряд новых приемов расчета. В 1917 г. была опубликована работа Жуковского «Аэродинамический расчет аэропланов».

Жуковский исследовал также вопросы прочности самолета. В 1918 г. появилась его большая работа «Исследование устойчивости конструкции аэропланов», в которой рассматривалась «задача о прочности конструкции аэропланов в предположении, что лонжероны обременены равномерной нагрузкой, происходящей от силы давления воздуха на крылья аэроплана и от веса крыльев».

Впервые в России Жуковский положил начало теории бомбометания с аэропланов. В 1915 г. в статьях «Бомбометание с аэропланов», в «Лекциях по баллистике» и «Теории бомбометания с аэропланов» (последние две работы впервые опубликованы в Собрании сочинений, 1950) Жуковский разработал метод определения траектории и скорости бомбы, когда сопротивление воздуха пропорционально квадрату скорости, дал способ учета изменения плотности воздуха с высотой. В этих работах рассмотрены различные практические способы бомбометания и прицельные устройства.

Таким образом, Жуковский разрешил важнейшие вопросы в области аэродинамики и авиации, разработал теоретические основы авиационной техники. Н.Е. Жуковский воспитал поколение ученых, инженеров в различных областях механики. Именно Жуковскому принадлежит идея введения в высших учебных заведениях специальных курсов: «Теория притяжения», «Теория регулирования», «Теоретические основы воздухоплавания», на которых воспитывались кадры специалистов в соответствующих областях знаний. Особенно велики заслуги Жуковского в воспитании авиационных специалистов.

В 1909—1910 гг. в Московском техническом училище и в 1910—1911 гг. в Московском университете Жуковский ввел курс «Теоретические основы воздухоплавания». С 1913 г. Жуковский читает лекции по динамике аэропланов на теоретических курсах для летчиков-добровольцев авиационной школы Московского общества воздухоплавания, которыми он заведовал в 1914—1917 гг.

В 1916 г. Жуковскому удалось организовать при Аэродинамической лаборатории Московского технического училища расчетно-испытательное бюро, в котором была сосредоточена экспериментально-теоретическая работа по созданию самолетов.

Если говорить о творчестве Н.Е. Жуковского во второй половине 90-х годов и в 900-е годы, то нельзя его отделить от деятельности С.А. Чаплыгина.

Сергей Алексеевич Чаплыгин родился 5 апреля 1869 г. в г. Раненбурге (теперь г. Чаплыгин) Рязанской губернии; учился на математическом отделении физико-математического факультета Московского университета. В университете он слушал лекции В.Я. Цингера, А.Г. Столетова, Н.Е. Жуковского и других выдающихся ученых. Под влиянием работ Жуковского по гидродинамике Чаплыгин, еще будучи студентом, написал статью «О движении тяжелых тел в несжимаемой жидкости». В 1890 г. Чаплыгин окончил университет и по ходатайству Жуковского был оставлен для подготовки к профессорскому званию.

Преподавательская деятельность Чаплыгина в высших учебных заведениях началась с 1894 г., когда он стал приват-доцентом Московского университета. В 1895— 1901 гг. он преподавал математику и механику в Межевом институте, в 1896—1906 гг. — механику в Московском техническом училище, а с 1901 г. являлся профессором механики Московских высших женских курсов, которыми заведовал в 1905—1918 гг. Первые научные работы С.А. Чаплыгина были посвящены гидромеханике. В 1893 г. он написал большой мемуар «О некоторых случаях движения твердого тела в жидкости», который был удостоен премии имени Брашмана. В 1897 г. появился второй мемуар под тем же названием — магистерская диссертация Чаплыгина. В отличие от Стеклова, решение которого носило чисто аналитический характер, Чаплыгин дал геометрическую интерпретацию движения твердого тела в жидкости. По этому поводу Жуковский писал, что Чаплыгин «в двух своих прекрасных работах показал, какой силой могут обладать остроумно поставленные геометрические методы исследования». В этих работах Чаплыгина сказалось влияние геометрического направления в решении механических задач, характерного для работ Жуковского.

Уже в начале своей научной деятельности Чаплыгин уделял основное внимание разработке общих методов классической механики. Целый ряд его работ, вышедших на самом рубеже XIX—XX вв., имеет своим предметом задачу о движении тела при наличии неинтегрируемых связей, другие были посвящены движению твердого тела вокруг неподвижной точки. В частности, в статье «О движении твердого тела вращения на горизонтальной плоскости» (1897) были впервые получены общие уравнения движения неголономных систем, служащие обобщением уравнения Лагранжа. Работы Чаплыгина по динамике неголономных систем были продолжены Г.К. Сусловым, П.В. Воронцом, Н.Е. Кочиным и др.

Особое место среди работ Чаплыгина занимают его исследования по механике жидкости и газа. Уже в 90-е годы Чаплыгин проявляет большой интерес к исследованиям струйных течений. В то время струйная теория являлась основой при изучении законов движения тел в жидкости. В 1890 г. Жуковский разработал общий метод решения задач о струйных течениях несжимаемой жидкости. В 1899 г. Чаплыгин, основываясь на исследованиях Жуковского, несколько иным способом решил задачу о струйном обтекании пластинки потоком несжимаемой жидкости («К вопросу о струях в несжимаемой жидкости»). Особенно привлекала Чаплыгина задача о струйном обтекании тел газом, которая, как он писал, была «едва затронута».

В XIX в. был опубликован ряд работ русских и зарубежных ученых по теории газового потока с большими скоростями. Так, например, Сен-Венан в 1839 г. исследовал явление истечения газа из отверстия при больших скоростях течения. Н.В. Маиевский в 1858 г. установил влияние сжимаемости воздуха на сопротивление движению снаряда при скорости полета снарядов, близкой к скорости звука.

В 1902 г. Чаплыгин опубликовал свою знаменитую работу «О газовых струях», в которой он разработал метод, позволяющий во многих случаях найти решение ранее поставленной задачи о прерывном течении сжимаемого газа. Трудность решения состояла в том, что для случая сжимаемой жидкости получаются сложные нелинейные уравнения движения.

В этой работе Чаплыгин писал, что П. Моленброк (1890) составил «дифференциальные уравнения, от которых зависит вопрос о струевых течениях газов», и указал «некоторые частные интегралы этих уравнений, едва ли, впрочем, соответствующие даже теоретически мыслимому движению газа».

Чаплыгин ввел те же независимые переменные, что и Моленброк, а именно вектор скорости и угол, образуемый этим вектором с некоторым направлением, но он выбрал функции, которые «выгоднее рассматривать», а именно: функцию тока и потенциал скоростей, и ввел так называемое преобразование годографа, что позволило нелинейные в физической плоскости уравнения газовой динамики преобразовать в линейные уравнения в системе годографа. Метод, разработанный Чаплыгиным, давал возможность решить задачу о струйном течении газа, если при тех же граничный условиях известно решение соответствующей задачи для несжимаемой жидкости.

Уравнения движения сжимаемой жидкости, полученные Чаплыгиным, справедливы для случая, когда скорость потока нигде не превышает скорости звука.

Чаплыгин применил свою теорию к решению двух задач струйного течения сжимаемой жидкости: истечения из сосуда и обтекания пластинки, перпендикулярной к направлению потока на бесконечности, и нашел точные решения. Это до настоящего времени единственный случай точного решения задач в газовой динамике. Результаты своих теоретических исследований об истечении газа и об обтекании пластинки Чаплыгин сравнил с опытными данными и получил качественное подтверждение своей теории.

Чаплыгин разработал также приближенный метод решения задач газовой динамики, отличающийся своей простотой. Однако его можно применять только для случая течения газа со скоростью, не превышающей примерно половины скорости звука.

Работа Чаплыгина «О газовых струях» является его докторской диссертацией. В свое время она не получила широкого признания. Одной из причин этого было то обстоятельство, что при скоростях, которые тогда использовались в авиации, не возникала необходимость в учете влияния сжимаемости воздуха, а в артиллерии наибольший интерес представляли исследования при скоростях, больших скорости звука. Все значение этой работы для задач авиации раскрылось в начале 50-х годов, когда скорости самолетов возросли настолько, что вопрос об учете влияния сжимаемости воздуха стал важнейшей проблемой. С 1910 г. начинается цикл работ С.А. Чаплыгина по теории крыла. В феврале 1910 г. в Московском математическом обществе Чаплыгин сделал доклад об аэродинамических силах, действующих на крыло самолета. Результаты этих исследований Чаплыгина изложены в его работе «О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела (к теории аэроплана)», опубликованной в этом же году, а также в его докладе «Результаты теоретических исследований о движении аэропланов», сделанном в ноябре 1910 г. на заседании Научно-технического комитета Московского общества воздухоплавания и изданном в 1911 г, Чаплыгин указал, что источником возникновения сил, действующих на крыло, могут быть «образование поверхностей раздела, присоединенные вихри и особенности бесконечно удаленной точки и связанная с нею многозначность потенциальной функции скоростей». Применение теории струй позволило оценить величину сил, действующих на простейшее крыло — пластинку. Чаплыгин ссылается на соответствующие работы Рэлея, Жуковского и на свою работу «О газовых струях», в которой он дал формулы для определения распределения скоростей и указал путь для вычисления давления в случае обтекания пластинки со срывом струй. Однако величина силы, действующей на пластинку, определенная по формулам теории струй, была значительно меньше опытных данных и «далеко не достаточна, чтобы объяснить явление полета».

Чаплыгин отмечает, что Жуковский установил замечательный закон, позволяющий определять величину подъемной силы, введя понятие циркуляции скорости. Чаплыгин исследует вопрос о подъемной силе, основываясь на том, что появление циркуляции и подъемной силы связано с многозначностью потенциала скоростей, причем рассматривает циркуляцию скорости вокруг бесконечно удаленной точки.

Чаплыгин изучает обтекание изогнутой пластинки при нулевом угле атаки, сложного крыла — изогнутой пластинки с насадкой на переднем конце — и крыльев, «напоминающих крылья птиц, лишь с одною точкою заострения», при различных углах атаки. Он выдвигает положение относительно распределения скоростей по обтекаемому контуру, а именно, что величина скорости должна быть «всюду конечная и непрерывная», т. е. что острая кромка является линией схода потока с верхней и нижней сторон крыла, так как в противном случае на острой кромке профиля была бы бесконечная скорость. Это положение было выдвинуто в этом же году Жуковским в его работе «Geometrische Untersuchungen über die Kuttasche Stromung», в которой он, рассматривая конформное преобразование потока жидкости, указывал, что критическая точка C преобразуемого потока переходит в «точку C с конечной скоростью» потока вокруг профиля (С располагается на задней кромке профиля). Приведенное положение Жуковского и Чаплыгина составляет содержание знаменитого постулата Жуковского—Чаплыгина, который позволил однозначно определить величину циркуляции скорости около профиля крыла. Введение этого постулата указало правильный технический путь для создания профилей крыльев.

Метод, разработанный Чаплыгиным, позволил найти рациональную форму профилей, доказать, что профили для крыльев самолетов должны иметь закругленную переднюю и острую заднюю кромки, получить формулы для определения подъемной силы и момента теоретических профилей. Форма профилей, разработанных Чаплыгиным, получалась инверсированием параболы, и поэтому они назывались профилями инверсии параболы. Как показал в 1911 г. Жуковский, профили, разработанные Чаплыгиным, были идентичны профилям, созданным Жуковским, и впоследствии в советской литературе эти теоретические профили, разработанные в 1910 г. русскими учеными, стали называться профилями Жуковского—Чаплыгина.

В своей работе 1910 г. Чаплыгин получил еще ряд замечательных результатов. Он впервые изучил вопрос о величине продольного момента, действующего на крыло, считая этот вопрос существенным элементом теории крыла. На основе исследования общей формулы для момента подъемной силы он установил простую зависимость продольного момента от угла атаки, которая лишь через несколько лет была получена экспериментально и явилась впоследствии одной из основных аэродинамических характеристик крыла. Чаплыгин показал, что коэффициент продольного момента при больших углах атаки положителен и уменьшается с уменьшением угла атаки, имея отрицательную величину при угле атаки, соответствующем нулевой подъемной силе. При отрицательных углах атаки момент, оставаясь отрицательным, увеличивается по абсолютной величине при увеличении абсолютного значения угла атаки крыла.

Чаплыгин указывал на наличие значительного опрокидывающего момента, действующего на самолет, и предупреждал об опасности быстрого изменения утла атаки. В этих своих работах Чаплыгин вывел интересное свойство изогнутых пластинок, показав, что при нулевом угле атаки подъемная сила пластинок зависит лишь от стрелки прогиба и не зависит от хорды пластинки.

Решив задачу о крыле бесконечного размаха, Чаплыгин отмечал необходимость и важность решения задачи о крыле конечного размаха и при этом полагал, что крыло конечного размаха может быть моделировано вихревой схемой в виде П-образного вихря.

Основываясь на своей работе «О газовых струях», Чаплыгин показал, что результаты его исследований крыла бесконечного размаха, выполненные при условии обтекания тел несжимаемым потоком, могут быть применены к определению аэродинамических характеристик крыльев самолетов того времени. Вместе с тем он отмечал, что при некоторых скоростях полета и углах атаки могут возникнуть местные звуковые скорости, когда может наступать новое явление — течение с разрывом сплошности, и тогда полученные результаты не могут быть применимы.

Идеи С.А. Чаплыгина нашли свое дальнейшее развитие в многочисленных работах советских и зарубежных ученых.

Деятельность Н.Е. Жуковского и С.А. Чаплыгина продолжалась и в советское время. Она будет рассмотрена в следующей главе этой книги.