Вклад русских ученых в становление и развитие инженерных наук.
Инженерные науки вооружают инженеров, техников, знанием и умением решать сложные задачи создания станков разного плана и назначения, возведения различных сооружений, позволяют рассчитывать силы водяных и газовых потоков, движущих турбин или обтекающих корабли и самолеты, летательные космические аппараты.
Основой инженерных наук является механика. Знание механики, как основы инженерных наук крайне необходимо строителям и зодчим. Они возводят жилища, корпуса заводов и фабрик, здания школ и больниц, театров и музеев, воздвигают башни и арки, строят мосты, метрополитены и многое другое.
Опыт, накопленный русскими ремесленниками, создал благоприятную почву для развития теории, накопления практических знаний. Отечественные ученые внесли много ценного в разработку теории машин, механизмов, строительных конструкций. Можно упомянуть, например, вышедшее на рубеже XVI-XVII веков руководство по бурильной технике «Роспись как зачат делат новая труба на новом месте» (1620г.). Много сведений по технике дает знаменитый «Устав ратных, пушечных и других дел, касающихся воинской науки», где разбирается много технических вопросов. Изложение технических вопросов основано на данных математики.
В начале XVIII в. в России стали появляться сочинения, написанные уже специалистами-учеными. В 1738 г. вышла в свет книга «Краткое руководство к подписанию простых и сложных машин, сочинение для употребления российского юношества». То был перевод с латинского языка (на котором в те времена писались научные труды). Книга эта послужила источником знаний для нескольких поколений русских механиков. Примечательна она была и тем, что в ней впервые шла речь о машиноведении как об отдельной науке, а не только как разделе физики.
Во второй половине XVIII в. появляется новый оригинальный учебник по механике, написанный Яковом Козельским, с назывнием «Механические предложения для употребления обучающегося при Артиллерийском и Инженерном шляхетском кадетском корпусе благородного юношества». Ценные учебники по механике и сопредельным научным дисциплинам написали Д.С. Аничков, Н.Г. Курганов, Е.Д. Войтяховский.
Русскими учеными и исследователями были решены важные вопросы машиностроения. Так, Леонард Эйлер выводит знаменитую формулу (1765г.), которая дает возможность по коэффициенту трения определить основные конструктивные элементы механизма с гибкими звеньями. Эта формула является только составным звеном общей теории трения. В своем классическом сочинении «Механика» Эйлер успешно решил вопросы механики методом математического анализа. В богатом наследии Эйлера - им оставлено 865 трудов – многое посвящено механике. Он был не только ученым-теоретиком, но занимался и чисто инженерными делами, проверкой качеств насосов, и чувствительности весов для взвешивания монет, принимал участие в экзаменах «машинных дел подмастеров».
Большой вклад в механику и инженерное дело внес М.В. Ломоносов. Понимая огромную важность «Приборного искусства» для создания машин и механизмов, он изобрел ряд специальных устройств и приборов: машин для испытания материалов на твердость, инструмент «для раздавливания и сжимания тел», с помощью которых исследовал прочность различных материалов. Под его руководством работала мастерская Академии наук, ставшая одним из центров русской технической мысли. После смерти Ломоносова ее возглавил И.П. Кулибин. Продолжая дело Ломоносова, академик С. Котельников в 1774 г., выпустил книгу, содержащую учение о равновесии и движении тел.
Особенно активизировались поиски решения технических проблем после открытия в 1775 г. Московского университета. В начале XIX в. академик С.Е. Гурьев опубликовал несколько работ по теории машин и механизмов, в том числе «Основы механики» и «Главные основания динамики». Вопросы механики занимают большое место в «Начальных основаниях общей физики», выпущенной в 1801 г. профессором Московского университета П.Н. Страховым.
Трудно перечислить все имена выдающихся деятелей российской науки и техники. Многие имена стали гордостью всего передового человечества. Одним из таких людей был гениальный математик и механик М.В. Остроградский (1801-1862). Он занимался теорией волн, теорией теплоты, изучал упругие колебания тел, вопросы равновесия и движения твердых тел, вековые неравенства в движении планет.
В связи с задачами строительства железных дорог в 30-х годах XIX в. активизируется работа над созданием строительной механики и теории сооружений. Важную работу в этом направлении выполнили воспитанники Петербургского института путей сообщения С. Кербедз (1810-1893), профессор прикладной механики, спроектировал и построил первый в России металлический мост через Неву. При расчете моста впервые был применен кинематический метод. Г.Е. Паукер (1822-1889) исследовал устойчивость сводов и пришел к соответствующим теоретическим выводам. При этом пользовался статистическими и кинематическими методами и получил идентичные результаты.
Многим обогатил механику замечательный домостроитель Д.И. Журавский (1821-1891). Именно он спроектировал и построил большинство мостов железной дороги между Петербургом и Москвой. Последователь Журавского Н.А. Белелюбский (1845-1922), вошел в историю техники как создатель большого числа замечательных мостов, пришедших на смену деревянным. Более пятидесяти сооружений спроектировал Белелюбский. Так, Сызранский мост, через Волгу, построенный им в 1875-1881гг., долгое время не имел равных в Европе по величине и оригинальности конструкции (13 пролетов по 3 метра каждый). Огромен и мост через Днепр из 15 пролетов по 71,3 метра, созданный им в 1881 году. Белелюбский был инициатором широкого применения в железнодорожном строительстве научных методов испытания материалов, для чего он создал специальную лабораторию, равной которой не было за границей.
Богатейшее наследство оставил в механике П.Л. Чебышев(1821-1894). Великий теоретик, прославивший себя блестящими открытиями в математике, с увлечением решал насущные задачи промышленной практики, как математик нередко предлагал оригинальные решения инженерных задач. Проявляя незаурядные инженерные способности, Чебышев создал разнообразнейшие механизмы, способные точно воспроизводить движения, работать с остановками, превращать непрерывное движение в движение прерывное и т.д. Он построил свою знаменитую переступающую машину, точно воспроизводящую движение идущего животного, создает гребной механизм, повторяющий движение весел, самокатное кресло, модель новой сортировальной машины. Чебышев изобрел автомат для вычислений. Созданный в 1881 г. он явился как бы продолжением его работы над совершенствованием оригинальной суммирующей машины, которую Чебышев изобрел тремя годами раньше. В отличие от других счетная машина Чебышева могла работать в быстром темпе, превышающем 500 вычислений в час.
Инженеры и ученые черпают в трудах Чебышева методы, формулы, идеи. Когда нужно узнать, при каких условиях проектируемая система рычагов, шарниров, колес может стать цельным механизмом, обращаются к знаменитой структурной формуле Чебышева. Это одна из необходимейших формул для инженеров. Являясь основателем и руководителем Петербургской математической школы, он впервые вводит в теорию механизмов (т.е. в прикладную кинематику) математические методы (работа «Теория механизмов» известных под названием параллелограммов).
Идеи Чебышева получили развитие в работах его учеников. Перу ученика Чебышева - А.М.Ляпунову, гениального математика и механика, принадлежит изложение теории устойчивости движения. Теория Ляпунова, рассматривающая условия устойчивости движения, стала основой научного проектирования самых разнообразных машин и устройств. Вся ценность этой теории выявилась позже, в дни техники больших скоростей, реактивной авиации, автоматики, телемеханики, радиотехники. Конструкторы сложных механических и электрических устройств, проверяют методом, созданным Ляпуновым, будет ли устойчива, надежна в работе созданная ими система.
Первый в России самолет был построен в начале девяностых годов ХIХ в. Александром Федоровичем Можайским (1826-1890). До постройки самолета он произвел ряд опытов с летающими моделями. Можайский был военный моряк, служил старшим офицером на военном корабле «Прохор». Это был человек большой физической силы и еще большего упорства и воли. Вторую половину своей жизни он работал над проблемой аэроплана и достиг едва ли не полного успеха, несмотря на то, что у него почти не было предшественников, на опыт которых он мог бы опереться. Департамент торговли и мануфактур в выданной в 1881г. изобретателю привилегии свидетельствовал, что «на сие изобретение прежде никому другому в России привилегий выдано не было».
Можайский пришел к идее своего аэроплана от обыкновенного бумажного детского змея. Для того, чтобы змееобразный самолет мог подняться в воздух, нужен был сильный и легкий двигатель. Можайский служил на флоте как раз в те годы, когда русские парусные корабли начали переходить на паровые установки. Он надеялся, что нужный ему двигатель – мощьный и легкий - можно построить.
Конструктивно аппарат Можайского напоминал испытывавшиеся им модели. К бортам деревянной лодки были прикреплены прямоугольные крылья, несколько выгнутые вверх. Деревянные переплеты крыльев обтягивал шелк, пропитанный лаком. Три винта приводились в движение паровым двигателем, расположенным на лодке. Самолет имел вертикальный и горизонтальный рули.
Можайский сам спроектировал двигатель в пятьдесят лошадиных сил и построил его на Балтийском заводе. Улучшая летные свойства своего аппарата и уменьшая вес паровой машины он мог рассчитывать на успех, но закончить предприятие он был не в состоянии.
Можайский первым построил чрезвычайно легкую летательную машину и первым (Шанют повторил его опыт двадцать лет спустя) показал возможность подняться в воздух, чем наглядно подтвердил возможность свободного полета. Когда был изобретен бензиновый мотор, люди стали летать на аппаратах, построенных принципиально так же, как первый русский аэроплан.
Почти фантастическую идею выдвинула наука в ХIХ в. – проблему межпланетных сообщений. Эту задачу разрешил в принципе наш соотечественник, знаменитый деятель науки Константин Эдуардович Циолковский (1857-1935). На путях к ее решению он разработал ту новую область реактивной техники, которая, наравне с радиотехникой и атомной техникой, является одной из ведущих областей инженерии и нашего времени.
За восемь лет до полетов первых авиаторов Циолковский опубликовал свой проект аэроплана, по конструкции очень далекого от машин его предшественников, но очень близко к современному типу самолета. В 1887г. за десять лет до появления первого цеппелина Циолковский разработал теорию реактивного движения, дал схему космической ракеты, доказал возможность межпланетных путешествий (1893) и все это – с исчерпывающей полнотой и убедительностью.
Работы Циолковского были доступны всякому, кто проявлял к ним интерес. Может быть поэтому братья Райт, Цеппелин, Оберт, Эсно-Пельтр, Годдарт не ссылались в публикациях на своего калужского предшественника, Поэтому стоит подчеркнуть, что ни немецкий, ни французский, ни американский последователи Циолковского не внесли ничего существенно нового в теорию, данную им за двадцать лет до того. Циолковский не только опередил, но его работа 1903 года может быть по справедливости названа классической. В настоящее время Циолковский во всем мире признается патриархом ракетного летания и приоритет его в этом деле настолько ясен, что уже никем не может оспариваться.
Заслуга Циолковского как пионера ракетного и вообще реактивного движения состоит в том, что он разработал основы этого движения, дал не только расчеты полета ракеты, но и расчет расхода горючего, определил коэффициент полезного действия ракетного двигателя.
Создание аэродинамики в значительной степени связано с именем Н.Е. Жуковского (1847-1921). Имея огромные заслуги в создании авиационной науки, он вел исследования турбин, ткацких машин, велосипедных колес, речных судов, мукомолен и т.д. Он составил уравнения динамики для центра тяжести птицы и определил ее траекторию при различных условиях движения воздуха.
Тончайший вопрос теоретической механики, нашел свое разрешение в трудах русского ученого И.В. Мещерского (1859-1935) - автор классического учебника и задачника по теоретической механике, которые не утратили практического значения и сегодня. Выдающийся теоретик Мещерский основал новый раздел науки - механику тела с переменной массой. В наши дни это приобрело исключительное значение. К телам с переменной массой принадлежит ракета( во время полета масса ее по мере сгорания топлива резко меняется).
Многим обогатил механику и «создатель кораблестроительной науки» А.Н. Крылов (1863-1945). Разработанный им метод подобия, основы которого заложил еще Кулибин, дал жизнь теории моделирования кораблей. Крылов оставил глубокие исследования в труднейшей отрасли механики, изучающей жироскопы. Его труды по теории жироскопа, стали настольными книгами конструкторов навигационных приборов. Теория Крылова помогает строить морские и авиационные жирокомпасы и автопилоты.
На стыке многих направлений – механики, математики, различных отраслей техники – возникла в конце XIX в. теория устойчивости. Здесь большая заслуга принадлежит А.М. Ляпунову. Его основополагающие научные поиски и особенно докторская диссертация «Общая задача об устойчивости движения» (1892) послужили основой теории.
Период, охватывающий конец XIX и первые десятилетия XX в., оказался чрезвычайно плодотворным в истории развития теоретической и прикладной механики. В эти годы были высказаны многие идеи, развитые впоследствии в целые научные направления. В это время повысился интерес к аэродинамике, гидродинамике, теории рабочих машин, одновременно активно велись чисто математические исследования, возникали новые направления. Очень важную роль в развитии отечественного математического естествознания сыграла московская математическая школа, основанная А.Д. Егоровым и его учеником Н.Н. Лузиным. К этой школе принадлежат такие крупные ученые, такие как П.С. Александров, М.А. Лаврентьев, А.Н. Колмогоров, И.И. Привалов, Д.Е. Меньшов, Н.К. Бари, М.В. Келдыш, В.В. Голубев и др. Лузин и его ученики развили ряд важнейших направлений математики и создали математический аппарат для решения многих задач теоретической и прикладной механики.
С началом научно-технической революции (50-е годы XX ст.), практические задачи поставили на повестку дня такие научные направления, как динамика тела переменной массы, неголономная механика, теория гироскопов и др. Распространение получила нелинейная механика, в прикладной механике теория колебаний занимает передовое место во всех направлениях. Современная механика разделяется на множество направлений.
В 60-70-х гг. появилось много работы в области механики, обусловленные, в первую очередь, потребностями техники. Но многие исследования определялись также и чисто теоретическими интересами, и пересечение их с техническими проблемами явилось уже вторичным, т.е. наука готовила почву для дальнейшего развития техники. Например, современные самолеты – результат приложения сил едва ли не всех отраслей и направлений механики: строительной, теории упругости и теории прочности, которые должны обеспечить прочность конструкций, нелинейной механики, учитывающей колебательные процессы, теории устойчивости, теории механизмов и многих других, в особенности аэродинамики.
В связи с повышением скоростей полета и появления сверхзвуковых самолетов в 60-е гг., были проведены глубокие теоретические и экспериментальные исследования в области сверхзвуковых течений газа. Были разработаны расчетные методы для гиперзвуковых скоростей, создана теория сильного взрыва в покоящемся газе и т.д. В результате возникла теоретическая база, облегчающая создание новых высокоскоростных самолетов. В 1955 году советская авиационная промышленность начала выпускать новые самолеты типа ТУ-104 с двигателями турбореактивного типа. В 1957 году на пассажирской линии был выпущен самолет ТУ-114, а в 1968г - ТУ-154 с тремя реактивными двигателями, рассчитанными на перевозку 164 человека со скоростью до 1000 км/час на расстояние до 6000 км.
Одновременно советская промышленность начала выпускать и турбовинтовые самолеты. В 1965 г. в СССР был построен самый большой в мире транспортный самолет «Антей» с четырьмя турбовинтовыми двигателями по 15 тыс.л. с. каждый, в 1968г. – первый в мире сверхзвуковой пассажирский самолет ТУ-144. Несколько позже подобные самолеты были построены в США (боинг-2707); английская и французская авиапромышленность выпустила совместно самолет «Конкорд». Эти самолеты уже имели крейсерскую скорость 2500-3000 км/час. Шло полным ходом освоение космического пространства, строительство ракет-носителей, искусственных спутников Земли, орбитальных станций и т.д.
Современная НТР вызвала к жизни много новых технических проблем. Сейчас под обобщающим названием «строительная механика» понимают уже целый ряд самостоятельных наук, и научных направлений. Из строительной механики выделились в отдельные направления строительная механика стержневых систем, висячих систем, пластин и оболочек. При этом помимо статистических методов расчета строительных конструкций во многих случаях используются кинематические и динамические методы. Значительное развитие получили исследования в области теории устойчивости конструкций.
На стыке наук постоянно появляются новые направления: теория атомов, молекулярная теория, теория спектров излучения, аэродинамика газовых потоков, некоторые направления авиационной техники, электродинамика и другие науки небесных туманностей, небесных тел, космических структур; зарождается новое научное направление – космическая аэродинамика. На этом пути вклад отечественных ученых безмерен.
Часть 1 - https://dzen.ru/a/ZCVCkrK-E2ONXpIt
Часть 3 - https://dzen.ru/a/ZC6u1fXELlb6fjy-
Часть 4 - https://dzen.ru/a/ZDZ3GcuXwhwLC6j6