Николай Жуковский основал два ведущих авиационных учреждения нашей страны - Военно-воздушную инженерную академию и Центральный аэрогидродинамический институт, которые названы его именем. Наследие ученого - более двух сотен научных трудов,
Они до сих пор являются базой современной авиационной науки. Мы расскажем о пяти главных открытиях Жуковского.
Самые первые работы Жуковского связаны с классической гидродинамикой. В ходе работы над причинами аварий на московском водопроводе он собрал материал, который стал основой его знаменитого классического труда 1899 года "О гидравлическом ударе в водопроводных трубах".
Ученый смог разрешить проблему многих крупных городов, где, по непонятным для инженеров причинам, часто происходили разрывы магистральных труб водопроводов. Из-за этого воды лишались целые районы. Главный инженер московского водопровода Николай Зимин, отчаявшись решить эту проблему, обратился к своему бывшему учителю Николаю Жуковскому. Ученый построил экспериментальную сеть из труб разных диаметров и выяснил, что причиной разрывов стал гидравлический удар. Явление это возникало из-за резкого перекрывания или открывания магистральных кранов. При быстром перекрытии задвижки образовывалась ударная волна, которая происходила от сжатия воды и расширения стенок трубы. Сильнее всего давление увеличивалось, когда ударная волна перемещалась из трубы большего диаметра в более узкую трубу.
Жуковский создал теорию гидравлического удара, которая позволила определить места возможного повреждения труб по показаниям приборов на водонапорных станциях. Открытие оказалось революционным: появилась возможность предотвращать аварии. Теория Жуковского оказалась полезной в различных областях техники и народного хозяйства и вывела его в число ведущих ученых-гидравликов.
Во время работы над другой проблемой московского водопровода - расширения его мощности - Николай Жуковский сделал еще одно открытие. Он определял запасы воды в источниках, которыми предполагалось пополнять водопровод, и выяснил, что в водоносных песках, которые питали подземные ключи, капли воды перемешаны с пузырьками воздуха. Когда атмосферное давление повышалось, пузырьки сжимались, из-за чего уровень вод понижался. Жуковский сделал вывод, что величина этого колебания зависит от объема источника, благодаря чему появилась возможность точно определить его запасы. Это открытие сегодня широко применяется в нефтяной промышленности.
Первый доклад, связанный с вопросами авиации, Жуковский сделал в январе 1890 года на VIII съезде русских естествоиспытателей и врачей - "К теории летания". В этой работе он рассуждал о происхождении подъемной силы.
Через год ученый обнародовал сообщение "О парении птиц", в котором содержались основы динамики полета самолета, а также впервые рассматривались принципы расчета траекторий полета птиц и воздушных судов. Жуковский продемонстрировал решение задачи о парении в спокойной и неспокойной атмосфере, в горизонтальной плоскости, со снижением и набором высоты. Все это он проиллюстрировал возможными траекториями. По сути, ученый обосновал возможность сложных движений самолета в воздухе, в том числе, "мертвой петли".
Эта работа стала теоретической базой для выполнения, в будущем, фигур высшего пилотажа. Спустя 22 года после выхода "О парении птиц", знаменитый русский летчик Петр Нестеров воплотил теорию в жизнь: на самолете "Ньюпор-4" впервые выполнил замкнутую петлю в вертикальной плоскости. Первую фигуру высшего пилотажа назвали "петлей Нестерова".
Над изучением движения тел в воздухе Жуковский начал работать в 1889 году: при своем кабинете прикладной механики в Московском университете он создал небольшую аэродинамическую лабораторию. Вместе со своими учениками в 1902 году он открыл одну из первых в мире аэродинамических труб закрытого типа для проведения различных экспериментов.
В 1904 года в подмосковном Кучино под руководством Жуковского был основан первый в мире аэродинамический институт. Исследователи работали на уникальном оборудовании: большой аэродинамической трубе диаметром 1,2 метра, разнообразных приборах - для испытания винтов больших диаметров, изучения ветряных двигателей, исследования лобового сопротивления, влияния вязкости среды, измерения силы тяги и так далее.
Опыты, проведенные Жуковским, позволили ему создать общую аэродинамическую теорию, потребность в которой в то время ощущалась очень остро. Летательные аппараты строились в буквальном смысле "на глаз", что часто приводило к катастрофам. На воздушные суда, во время полета, воздействует целый комплекс сил, из которых была хорошо изучена лишь одна - сила тяжести. Остальные изучались методом проб и ошибок, без уравнений и формул. Благодаря же Жуковскому авиаконструкторы получили точную аэродинамическую теорию.
Теоретические и экспериментальные основы аэродинамики Жуковского стали фундаментом для развития авиации. До него ученые, в числе которых были Ньютон и Леонардо да Винчи, так и не смогли определить, откуда берется подъемная сила крыла. Жуковский же на этот вопрос ответил. Он выяснил, что подъемная сила зависит от ряда факторов, в числе которых - форма крыла, скорость полета судна и плотность воздуха.
В 1906 году ученый опубликовал свое открытие в работе "О присоединенных вихрях", в которой вывел формулу для подъемной силы. Она легла в основу для всех аэродинамических расчетов - крыльев, компрессоров, воздушных винтов, винтокрылых аппаратов и многих других машин. Формула Жуковского звучит так: подъемная сила, развиваемая крылом произвольной формы, равна произведению массовой плотности воздуха на скорость потока вдали от крыла, на циркуляцию скорости добавочного течения вокруг крыльев и на размах крыла.
В 1911 году ученый смог определить центр давления равнодействующей всех сил на крыло и предложил наиболее "правильные" формы профиля крыла.
С 1912 по 1918 год Жуковский написал несколько работ по вихревой теории гребного винта, которые опирались на его теорию крыла. На основе этого открытия сегодня строятся воздушные винты летательных аппаратов.
Над теорией и методами расчета воздушных винтов Жуковский работал с конца XIX века - именно в это время свет увидела его статья "О крылатых пропеллерах". Ученый рассуждал о создании летательных аппаратов, которые были бы подобны птицам - с машущими крыльями. В 1907 году он сделал следующий шаг в своей работе "Теория гребного винта с большим числом лопастей", где были выведены формулы для определения мощности и тяги пропеллера и геликоптерного винта.
Вихревая теория Жуковского родилась из накопленных теоретических и практических, во время лабораторных испытаний, данных. Ее формула подходит ко всем типам винтов - как пропеллеров, так и ветряных двигателей, судовых винтов и так далее. Открытие ученого дало возможность создать изделия, превосходящие по характеристикам европейские аналоги. "Винты НЕЖ" (по инициалам и первой букве фамилии ученого), в короткие сроки завоевали доверие авиаторов и вытеснили иностранные конструкции. А вихревая теория Жуковского была продолжена в работах его ученика Владимира Ветчинкина, который разработал инженерные методы создания воздушных винтов.