из страниц журнала "Моделист Конструктор» № 11 1966 год
Re – этот символ хорошо знаком ученым и инженерам, которым приходится иметь дело с движением жидкостей и газов. Так обозначается в формулах и графиках знаменитое число Рейнольдса. Без него было бы нельзя посчитать лобовое сопротивление проектируемого вновь самолёта, автомобиля, локомотива, вычислить силу, с которой ветер будет давить на строящиеся мачту, здание или мост, рассчитывать котлы, турбины, холодильные машины, водопроводы, насосы. Без него, короче говоря, были бы невозможны расчёты систем, в которых движущиеся жидкости или газы играют сколько-нибудь важную роль. Ведь число Рейнольдса — одна из основных величин в теории подобия, позволяющей на маленьких моделях изучать большие проблемы современной техники, теории, созданной трудами таких учёных как Г. Галилей, И. Ньютон, В. Фрут, Л. Прандтль, А. Крылов, М. Кирпичев. В их ряду английский физик Осборн Рейнольдс занимает особое место.
Когда возникают вихри
Рейнольдс родился в 1842 году, в девятнадцать лет работал на заводе инженером. Именно здесь он понял, как важно инженеру знать математику, и для изучения её поступил в Кембриджский университет. По окончании его Рейнольдс получает кафедру физики в Манчестерском университете. В изданиях этого учебного заведения он в течение 30 лет печатал свои научные статьи. Здесь же были опубликованы и те две работы, благодаря которым его имя до сих пор не сходит со страниц научных трудов. Эта статьи «О двух видах движения воды» (1883 г.) и «О законе сопротивления в параллельных каналах» (1884 г.). В них содержалось решение парадокса, в течение нескольких лет сдерживающего развитие целой науки — гидродинамики. Было доказано, что сопротивление жидкости в трубе прямо пропорционально скорости и обратно пропорционально квадрату диаметра трубы. Однако спустя несколько лет другие ученые получили совершенно противоположный результат: сопротивление оказалось прямо пропорциональным квадрату скорости и обратно пропорциональным диаметру трубы. Многократные повторения опытов подтвердили правильность обоих выводов. Вода то подчинялась теории, то выходила из повиновения.
Рейнольдс взялся за эту проблему, имея большой опыт гидродинамических исследований. Он проделал такой эксперимент: в воду, текущую в стеклянной трубке, ввёл тонкую струйку красителя. Она быстро вытянулась в длинную, резко отчерченную, не смешивающуюся с водой полоску, параллельную стенкам трубки. Вода как будто движется концентрическими слоями, как вложенные одна в другую металлические трубки: внутренние — быстрее, примыкающая к ней — чуть медленнее, следующая— ещё медленнее.
Ламинарным (слоистым) называет Рейнольдс такое течение.
А если увеличить скорость? Сразу, резким скачком замедляется движение подкрашенной струйки. Видно, как быстрые, беспорядочные завихрения перемешивают краску с водой по всему объёму трубки — ламинарное течение потеряло устойчивость, превратилось в турбулентное (вихревое).
Стремясь понять, что в этот момент происходит в потоке, Рейнольдс придумал любопытную аналогию. «Жидкость можно уподобить отряду солдат, ламинарное течение — чёткому походному строю, турбулентное — беспорядочному движению. Тогда скорость жидкости и диаметр трубы — это скорость движения и величина отряда. Вязкость — дисциплина, плотность — вооружение. Чем больше отряд, чем быстрее манёвры и чем тяжелее вооружение, тем меньше расстраивается походный порядок. И так же турбулентность начинается тем быстрее, тем тяжелее жидкость, чем меньше её вязкость и больше скорость и диаметр трубы».
Наглядно? Конечно. Но для инженерных расчётов одной наглядности недостаточно. Нужны количественные зависимости.
Итак, когда же в жидкости возникают вихри? Тогда, когда силы инерции, определяемые скоростью, размером трубы и плотностью, превышают силу вязкости. Значит, характер течения должен зависеть от соотношения этих сил. Так Рейнольдс получил безразмерную величину, названную впоследствии в его честь числом Рейнольдса — Re. Проведя сотни экспериментов с течением жидкости в трубах, он убедился, что оно остаётся ламинарным только при тех скоростях, пока число Re меньше 2300. Если же оно больше 6000 — течение обязательно турбулентное. В промежутке же между этими предельными значениями в нём возникают вихри, которые тут же затухают или уносятся потоком. Теперь стало ясно, почему более ранние исследователи получали столь противоречивые результаты. Один проводил свои опыты с капиллярными трубками, где число Рейнольдса было меньше 2300, а течения которые изучались другими, были турбулентными.
Но истинное значение работ Рейнольдса оказалось гораздо более важным, чем решение этого гидродинамического парадокса. Прежде всего он обратил внимание исследователей на турбулентность, которой после него занимались и занимаются крупнейшие физики, механики и математики мира. А число Рейнольдса, введённое им в научный обиход, легло в основу прикладной гидро- и аэромеханики. Оказалось, что сопротивление и подъёмная сила маленькой модели, движущейся в жидкости, точно так же зависит от числа Re, как и у сооружения в натуре. Поэтому, продув в аэродинамической трубе небольшие модельки, мы можем с достаточной точностью вычислить сопротивление будущих самолётов, подводных лодок, автомобилей или силу, с которой ветер будет давить на мачты, здания и мосты…
Ученый — инженерам
Во времена Рейнольдса считалась, что наука — это одно, а инженерная практика — совсем другое, что тот и другой род деятельности не имеют между собой ничего общего, не соприкасаются. Рейнольдс был одним из первых учёных понявший всю несостоятельность подобных взглядов. В своих научных работах он старался увидеть прикладную сторону. И даже темы для исследования он брал из широко известных случаев практики.
Кто не слышал о старинном способе утихомиривать волны с помощью масла, выливаемого на поверхность моря? Но вряд ли многим известно, что именно Рейнольдс первый попытался дать научное объяснение этому явлению.
Ветер на море создаёт волны, внутри которых почти нет турбулентных вихрей. Кинематическая энергия таких волн не рассеивается. Масляная плёнка на поверхности воды оказывается как бы твёрдой стенкой, под которой сразу же начинается турбулизация. С этого момента энергия ветра затрачивается не на увеличение волн, а на образование вихрей, превращающих в кинетическую энергию тяжёлых валов в безобидное для корабля тепло.
Такое стремление к получению прикладных результатов от самых абстрактных исследований характерно для Рейнольдса.
Он провел серию опытов по акустике, которые также завершились решением практической задачи: почему звук поглощается в тумане? «Звук, — объясняет учёный, — это быстрое колебание воздуха, за которым не поспевают медленные капельки воды. В результате трения между воздухом и капельками воды энергия звука превращается в теплоту и звук заглушается».
А почему раскалывается дерево, когда в него попадает молния? Несколько исследований, связанных с образованием грозовых облаков и изучением их электрических свойств, ставит перед Рейнольдсом эту проблему. И он экспериментально доказывает: мощность молнии так велика, что влага, содержащаяся в древесине, практически мгновенно испаряется. Происходит взрыв, разрывающий волокна дерева.
Наконец, Рейнольдсу принадлежит классический, вошедший в учебники физики ответ на вопрос: почему лёд скользкий? Под лезвием конька из-за высокого давления лёд плавится, и между коньком и льдом всё время образуется водяная смазка, которая как раз делает лёд единственным скользким теплом в природе.
Но особо большое значение имели работы Рейнольдса для конструкторов океанских судов. Некоторые даже считают, что без исследований Рейнольдса не было бы той революции на флоте, которую произвела паровая турбина с редуктором…
Когда мы говорим о быстроходных океанских лайнерах и военных кораблях, на память сразу же приходят гигантские турбины, внушительных размеров корпуса. Но мы почти всегда забываем о главных упорных подшипниках — поистине уникальных механизмах, передающих корпусу упор с вращающегося гребного вала. Без них современные океанские лайнеры были бы также невозможны, как и без самих паровых турбин.
Упорные подшипники появились одновременно с приходом механического двигателя на флот. Но, увы, конструкции, хорошо работавшие с паровой машиной, оказались непригодными для турбины. Исследование Рейнольдса прекрасно объясняли, в чём здесь дело. Он доказал, что металлический нагруженный брус, движущийся по плоской смазанной поверхности, должен как бы загонять под себя слои смазки, прилипшие к нему благодаря вязкости, и всплывать на них. Чтобы такое нагнетание масла происходило непрерывно, нижняя грань бруса должна быть наклонена к неподвижной поверхности, а между ними должен всё время быть масляный клин. Как только поверхности становятся параллельными, масло выжимается, и начинается сухое трение.
У паровых машин из-за неравномерности хода гребной вал непрерывно немного перекашивался, «играл». И, как ни парадоксально, этот недостаток создавал идеальные условия для образования масляного клина в упорном подшипнике. Гребной вал турбинной установки не «играет», и это делает неприменимой старую конструкцию упорного подшипника. Однако ясное понимание процесса, которым Рейнольдс вооружил инженеров, позволила им найти выход из положения. Есть ли вал и опора не играют, то почему между ними не поместить свободно опирающийся на штыри подушки из бронзы, которые могут колебаться около штырей? Как только турбина начинает работать, между воротником гребного вала и свободно «играющими» с подушками возникает масляный клин, в 20 раз снижающий силу трения. Подшипники такого типа позволили не только передавать с волов мощности в несколько десятков тысяч лошадиных сил, но и сделать это при гораздо меньших размерах, чем у гребных подшипников паровых машин.
Мыслитель, человек
Рейнольдсу не приходилось выискивать темы для своих исследований. он умел видеть их повсюду — в грозовых облаках, в каплях дождя, в сооружениях техники, в работах коллег, а иногда и в мокром песке под ногами. именно этим умением во всём находить достойный объект для размышлений и поистине титанической работоспособностью объясняется поразительное обилие и разнообразие его работ.
Возглавляя в течение 30 лет университетскую кафедру, Рейнольдс старался дать каждому студенту самую широкую подготовку, независимо от той узкой специальности, которую тот выберет впоследствии. Курс его лекций был далеко не лёгким. Лекция, начавшаяся с изложения термодинамики паровой машины, могла запросто кончиться проблемами передачи энергии при ударе молота, а где-то в промежутке коснуться податливости песчаного грунта.
Рейнольдс никогда не начинал знакомиться с тем, что думают по тому или иному вопросу другие. Он обдумывал проблемы самостоятельно. Необычность подхода делала его статьи — особенно статьи последних лет — трудными для понимания. Однако наиболее важные статьи написаны чётко и ясно.
В обращение Рейнольдс был скромен и прост. Наделённый чувством юмора, он иногда развлекался тем, что полусерьезно, полушутя предлагал окружающим головоломные научный парадоксы, которые отстаивал с поразительным искусством и остроумием.
Но, быть может, лучше всего характеризует Рейнольдса мужество, с которым он встретил угасание своей творческой способности. Убедившись, что его последний трактат «Субмеханика вселенной» оказался непонятным даже для крупных учёных из-за утраченной ясности и яркости изложении, Рейнольдс в 1905 году отстранился от дел и вплоть до самой смерти 1912 году не занимался больше научной работой.
КЛЮЧ ОТ СКОРОСТИ ►
Re И АВИОМОДЕЛИЗМ ►
Весь материал находится в свободном доступе в интернете.
Если вам интересен контент этого канала, пожалуйста, подпишитесь, чтобы продолжить читать.. Не пропустите новых интересный статей! Быть может на этом канале Вы найдёте для себя идеи для хобби или полноценного бизнеса. Ставьте "лайки" и пишите комментарии - это обратная связь и я буду знать, что интересно аудитории.