Вклад Жуковского и Чаплыгина в развитие аэродинамики

Введение

Актуальность. Без знания аэродинамики невозможно спроектировать, изготовить и правильно эксплуатировать воздушное судно, отвечающее определенным техническим требованиям. Ведущее место в создании научной базы, которая позволяет создавать надежные самолеты, принадлежит нашим отечественным ученым, среди которых есть много известных имен.
Наиболее яркий период развития аэродинамики связан с научной деятельностью Н. Е. Жуковского (1847-1921). Ему принадлежит более 200 работ, имеющих первостепенное значение во всех областях механики и, главным образом, в области аэрогидродинамики. Он считается основателем современной теоретической и экспериментальной аэродинамики. Исследование С.А. Чаплыгина по нестационарному движению заложило фундамент для большой серии статей русских и иностранных авторов. Методы С.А. Чаплыгина вошли в сокровищницу мировой науки как фундамент рациональных расчётов аэроплана.
Объект – аэродинамика.
Предмет – вклад Жуковского и Чаплыгина в развитие аэродинамики.
Целью работы является анализ вклада отечественных ученых – Жуковского и Чаплыгина в создание теоретических и экспериментальных основ аэродинамики.
Задачи:
изучить теоретические основы аэродинамики;
раскрыть вклад Н.Е. Жуковского;
раскрыть вклад С.А. Чаплыгина в аэродинамику.
Степень разработанности темы. Теоретические исследования вопроса развития аэродинамики посвящено много работ. Этими вопросами занимается целый ряд исследователей и исследовательских коллективов как у нас в стране, так и за рубежом.
Наиболее интересная информация о начальном этапе разработки теоретической и экспериментальной аэродинамики представлена ​​в работе Н. М. Меркуловой. Основная ценность работы Н. М. Меркуловой заключается в том, что она подробно проанализировала литературу, опубликованную по исследуемой проблеме, и определила основные направления развития экспериментальных аэродинамических исследований крыльев самолетов в начальный период. Ценность этой работы также определяется тем, что она использует большое количество первичных источников, материалы из фондов отечественных государственных архивов, а также работы зарубежных исследователей.
Книга Д.А. Соболева «История самолетов. Начальный период» является наиболее полной в отечественной и мировой литературе изучением истории начального этапа развития мировых самолетов с момента появления идеи полета до конца Первой мировой войны. Одним из несомненных преимуществ этой книги, а также других его работ является широкое использование материалов из отечественных и ряда зарубежных архивов, что позволило автору обогатить исследования уникальными историческими документами и фактами.
Многие из отечественных и изданных за рубежом работ в одностороннем порядке затрагивают вопрос о начальном этапе развития авиации и, как правило, носят общий характер. Изданная за рубежом литература во многих случаях страдает недостаточной объективностью, превознося заслуги своих ученых. В ней зачастую забывают упоминать о достижениях исследователей других стран, в том числе и России.
Методология изучения темы. В первой главе применялся обзор источников: научные статьи, авторефераты, диссертации по развитию аэродинамики. Теоретическая основа состояла из положений и выводов исторических и научно-технических работ, посвященных рассмотрению проблем создания летательного аппарата в начальный период. Методологической основой работы второй и третьей глав были принципы историзма, научности и объективности.
Сложность и многомерность исследуемой проблемы потребовали всеобъемлющего, историко-технического анализа, который позволил выявить исторический фон и технические аспекты содержания и динамики научных исследований по аэродинамике.
В последней главе применялся теоретический метод.
В этой работе сравнительный исторический метод используется для анализа первичных источников, а также для сравнения направлений и уровня исследований. Кроме того, был использован ряд общих логических методов: анализ и синтез, восхождение от абстрактного к конкретному, сочетание логического, исторического и технического анализа.

Глава 1. Теоретические основы аэродинамики
1.1.Социально экономические и научные предпосылки развития аэродинамики

Элементы классического естествознания появляются в идее начала познания на Древнем Востоке, в Греции и Риме, а также в средние века вплоть до XVI - XVII веков. Именно этот период чаще всего считается началом, отправной точкой естественной науки (и науки в целом) как систематического изучения реальности. В этот период наука еще не выделялась в определенной области духовной деятельности, и теоретическое мышление не получило независимого развития. Здесь произошло переплетение элементов знания с мистикой и суевериями (астрономия с астрологией, медицина с магией). Зачатки математических и других рациональных и практических знаний не получили интегрированного выражения в соответствующей теории.
Еще в XV - XVI в. интерес к природе начинает расти. Переход от Средневековья к Новому времени ознаменовался началом первой глобальной научной революции и становлением классического естествознания. Научная революция разрушила древнюю средневековую концепцию мира и привела к формированию классического естествознания, парадигмой которого была механика. Картина мира, которая возникла в ее рамках, строилась по принципу жесткого. Строго недвусмысленная причинность была поднята до ранга объяснительной картины. Объяснение было понято как поиск механических причин, и обоснование сводилось к сокращению знаний о природе к фундаментальным принципам механики.
Технический прогресс в средние века позволил начать разработку проектов для более сложных летательных аппаратов. Идею человека-птицы заменила идея летающей повозки, упоминание о которой сохранилось в греческих, китайских и индийских мифических сказках [2]. Принцип работы таких устройств заключался в следующем: человек находился внутри устройства и, при определенных манипуляциях с механизмом передачи, устанавливал крылья в движение. Предполагалось, что таким образом человек сможет повысить эффективность своих мышц и совершить полет.
Отдельные идеи и подходы к созданию самолета еще не приобрели статус теоретических знаний. Однако были прогрессивные взгляды.
Фигура, которая определила предпосылки для перехода от донаучной к преднаучной стадии развития авиации, сделал великий ученый эпохи Возрождения Леонардо да Винчи (1452-1519). Он уделял значительное внимание изучению полета птиц и проблеме полета человека.
Идеологическая и методологическая основа всего классического естествознания служила механика И.Ньютона, долгое время стимулировавшим развитие науки и обеспечивающей новые технические открытия. Классическая механика доминировала в естествознании в течение двух столетий, переходя от одного достижения к другому. Однако в естественных науках накопленные факты, эмпирический материал, который не мог быть объяснен законами механики и не вписывался в сформированную механическую картину мира, основанную на идеях атомизма и механизма.
Формирование эволюционных идей в естественных науках в значительной степени способствовало постепенному отказу от признания особой универсальной роли механики. Начался переход к дисциплинированной организованной естественной науке. Наряду с механическими и математическими знаниями развиваются экспериментальные и описательные дисциплины. Они образуют конкретные картины реальности. В то же время существует дифференциация дисциплинарных идеалов и норм исследования, хотя общие когнитивные установки классической науки остаются неизменными. В биологии и геологии возникают идеалы эволюционного объяснения, в то время как физика продолжает абстрагироваться от идеи развития. Возникает проблема соотношения различных методов науки, синтеза знаний и классификации наук.
На рубеже XIX-XX веков начинается научная революция, означающая переход на новый способ познания, отражающий глубокие связи и отношения в природе.
В начале XX века в естествознании возникают не только новые идеи, а и новые неожиданные факты и явления раскрываются, но дух естествознания в целом трансформируется, возникает новый образ мышления и методологические принципы естественные науки сильно меняются. Естествознание входит во вторую стадию своего развития - неклассическую. Формирование и развитие неклассического естествознания привело к пониманию относительной истины теорий и картин природы, разработанных на той или иной стадии естествознания. Допускается истинность нескольких конкретных теоретических описаний одной и той же реальности, которые отличаются друг от друга.
Развитие аэродинамики обусловлено тремя основными факторами:
– наличием у человека врожденного инстинкта перемещения;
– осознанием человеком необходимости сохранения окружающей среды;
– стремлением человека к экономической выгоде.


1.2. Этапы становления аэродинамики

Аэродинамика - наука о движении воздуха и его воздействии на тела, которые она затянула - началась в связи с первыми попытками построить самолет. Возникла и сформировалась на основе теоретических основ классической гидродинамики, а также результатов аэродинамических экспериментов. Формирование, развитие и обучение аэродинамике как науки можно разделить на три этапа.
Этап 1. Первые попытки объяснить образование аэродинамических сил относятся к относительно отдаленным временам. Таким образом, в начале XVI века известный итальянский ученый и художник Леонардо да Винчи, который проанализировал полет птицы, пришел к выводу, что сила, удерживающая его в воздухе, была вызвана быстрыми ударами его крыльев; ударная теория сопротивления воздуха, предложенная Ньютоном в 17 веке, преобладала в науке до 20-го века и послужила основой для современной аэродинамики разреженных газов.
Этап 2. Начало становления аэродинамики как науки связано с трудами академиков Российской академии наук Леонарда Эйлера (1707 – 1783) и Даниила Бернулли (1700 – 178З).
Этап 3. Быстрое развитие аэродинамики началось в первые годы XX века в связи с появлением новой отрасли технологий - авиации. Основатель аэродинамика - Н.Е. Жуковский.
В первые послереволюционные годы бурное развитие аэродинамики получило свое практическое применение как в теоретическом и прикладном смысле. Как и в любой науке, ведущей ролью в решении аэродинамических задач были фундаментальные теоретические исследования, которые построили расчетные технические методы, составляющие основу прикладной теории. Корифеи советской аэродинамики, такие, как Н. Е. Жуковский, С. А. Чаплыгин и многие другие, находились во главе прогресса авиации.
Развитие авиационной техники неразрывно связано с развитием теоретических основ летательных аппаратов тяжелее воздуха, и здесь наиболее важную роль играет аэродинамика

. Различные гидродинамические модели сыграли важную роль в разработке и решении ряда аэродинамических задач, в частности, схематизация движения воздуха и его влияние на организм.
В начале XIX в. появились понятия подъемной силы и центра давления. С начала 70-х годов XIX века в связи с первыми попытками построить различные летательные аппараты тяжелее воздуха, была предпринята работа по изучению аэродинамических сил, действующих на конструктивные элементы. Возникла проблема определения величины подъемной силы крыла в зависимости от разных углов атаки. Решили ее, в основном проводя эксперименты с пластинами различной формы. [5]
Значительный вклад в развитие авиационной науки и техники в России внесли работы Д. И. Менделеева. Из изучения свойств пара и газов он перешел к проблемам воздухоплавания, а затем к проблемам аэродинамики. Менделеев показал, что существующие гидродинамические теории и модели не адекватны аэродинамическим процессам и явлениям.
Работы с аэродинамическими трубами позволили получить на основе единой методологии новые научные результаты в аэродинамике, в том числе аэродинамические характеристики крыла и винта. К концу XIX века в результате главным образом экспериментальных исследований пластин различной формы было обнаружено влияние вогнутости и удлинения на увеличение подъема, были получены первые данные о возможности использования разделенных крыльев.
В начале XX века построение аэродинамики как самостоятельной науки завершено. Значительная часть результатов, полученных в первые два десятилетия, связана с деятельностью двух ведущих научных школ: Московской школы им. Н.Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина.
По инициативе Н.Е. Жуковского и под его руководством были созданы первые аэродинамические лаборатории в России. В конце 1918 года был организован Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ).
Жуковского назвали «отцом российской авиации». Он первым в мире решил проблему подъема крыла, разработал и применил к решению практических задач вихревую теорию крыла и пропеллера, разработал метод аэродинамического расчета самолета и многие вопросы методологии аэродинамического эксперимента.
Работу Н.Е. Жуковского успешно продолжил ученик и коллега академика С.А. Чаплыгин. Он установил связь между сопротивлением крыла и его удлинением, разработал теорию крыла конечного пролета, исследовал характеристики момента крыла и ввел понятие «аэродинамический фокус». Огромная заслуга С. А. Чаплыгина - разработка теории движения газа на высоких скоростях, которая стала основой современной газовой динамики.
Дальнейшее развитие динамики полета связано с трудами учеников Н.Е.Жуковского: В.П. Ветчинкина, В.Н. Юрьева, B.C. Пышнова, И.В. Остославского и многих других выдающихся ученых.

Глава 2. Вклад Жуковского в аэродинамику
2.1. Становление Жуковского как ученого

Жуковский Николай Егорович (1847-1921) - русский ученый, создатель аэродинамики как науки. Заслуженный профессор Московского университета, профессор теоретической механики Императорского московского технического училища.
Особое влияние на научную деятельность Николая Егоровича, решившего посвятить себя практическим вопросам механики, оказали известные профессора Московского университета В.Я. Цингер и Ф.А.Слудский, которые читали курс механики в университете.
В 1876 году Жуковский блестяще защитил кандидатскую диссертацию по очень сложной и важной части гидромеханики - теории скоростей и ускорений движущегося тела жидкости. По отзывам официальных оппонентов, профессора Московского университета Цингера и Слудского, диссертация Жуковского содержала много новых и ценных вещей.
Вскоре после защиты Николай Егорович Жуковский был отправлен за границу - «для собирания материалов к продолжению изданного им сочинения по гидродинамике и ознакомления с чтением означенного предмета в политехнических школах Германии и Франции».
В апреле 1882 года на открытом заседании физико-математического факультета Московского университета Н. Е. Жуковский защитил докторскую диссертацию «О прочности движения». Эта работа была посвящена сложным вопросам устойчивости, над которыми он работал около четырех лет. Защита его докторской диссертации явилась важной вехой в жизни Николая Егоровича. Степень доктора прикладной математики открыла для него широкие возможности для универсальной научной и педагогической деятельности.
Две фундаментальные диссертации и другие научные труды Жуковского в сочетании с его мастерством по содержательному обучению окончательно утвердили научный авторитет Николая Егоровича и выдвинули молодого ученого на одно из первых мест среди московских профессоров.
 Вопросами полета на аппаратах тяжелее воздуха Жуковский заинтересовался еще в конце 80-х годов. В эти годы одной из основных проблем в решении проблемы полета с более тяжелыми транспортными средствами, чем воздух, была проблема восстановления.
Исследователи, в основном основанные на эксперименте, затем попытались решить проблему возвышения крыла. Было получено большое количество экспериментальных данных, пригодных для оценки величины подъемной силы только в особых случаях.
Попытки оценить величину подъемной силы на основе теоретических предположений и, в частности, на основе разработанной в то время теории струйного течения, дали результаты, значительно отличающиеся от экспериментальных. Жуковский считал необходимым сначала определить физическую картину внешнего вида силы.
В своей работе «К теории летания» (1890) он предположил, что подъемная сила может быть результатом некоторого вихревого движения из-за вязкости жидкости.
В 1890-1891 гг. он создал интересные эксперименты с воздушной струей, которая предвосхитила его идею прикрепленных вихрей, которые он использовал в качестве основы для создания теории лифта.
В статье «О парении птиц» (1891) он впервые рассмотрел проблему динамики полета в транспортных средствах, которые тяжелее воздуха. [1]
Жуковский теоретически обосновал возможность проведения сложных движений самолета в воздухе, в частности, «мертвой петли». В этой же статье Жуковский также исследовал вопрос о центре давления аэродинамических сил и показал, что положение центра давления изменяется с углом атаки.
В 1890-1891 гг. Жуковский устанавливает эксперименты по изучению закона изменения положения центра давления крыла с простейшим профилем - плоской пластиной. Даже тогда он обратил внимание на важность изучения вопросов устойчивости посредством тестирования планеров и воздушных змеев.


2.2. Основные идеи Жуковского в сфере аэродинамики

До работ Н. Е. Жуковского теоретическая аэродинамика не существовала как самостоятельная наука. Попытки ученых всех стран объяснить возникновение подъемной силы крыла самолета в соответствии с результатами экспериментов не привели к цели. [5] Жуковский придал большое значение разработке экспериментов в аэродинамических трубах. В своей университетской лаборатории в 1902 году, а затем в 1905-1906 годах были построены аэродинамические трубы. В 1904 году, по идее Жуковского, был основан Аэродинамический институт в Кучино, оснащенный новейшими инструментами того времени.
Наблюдения за полетами самолетов и воздушных змеев, многосторонние экспериментальные исследования аэродинамических сил, действующих на простейшее крыло - пластинку, изучение динамики взаимодействия поступательных и вращательных движений тела и, конечно, глубокие исследования в области классической гидродинамики позволили Жуковскому в 1905 году дать исчерпывающее решение проблемы подъемной силы. В работе «О присоединенных вихрях» (1906) он установил, что подъемная сила возникает в результате потока вокруг неподвижного прикрепленного вихря или системы вихрей, которые могут заменить тело в потоке жидкости.
Исходя из этого, Жуковский доказал известную теорему, которая позволяет рассчитать величину подъемной силы. Согласно 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 удлиненными пластинами, вращающимися в воздушном потоке, создаваемыми по идее Жуковского в 1905-1906 гг. в аэродинамической лаборатории Кучинского института. Однако было невозможно сразу применить теорему Жуковского к решению задачи о подъемной силе крыла, поскольку неизвестно, как определить величину циркуляции скорости по замкнутому контуру, охватывающему тело, входящую в формулу Жуковского.
В 1910 году Н.Е. Жуковский и С. А. Чаплыгин решили проблему сил, действующих на крыло бесконечного пролета.Введение

Жуковским и Чаплыгиным из постулата спуска с задней кромки струй с верхней и нижней поверхности крыла, так называемого постулата Жуковского-Чаплыгина, позволило полностью решить проблему подъема крыла, определить момент этой силы; разработать профиль крыла самолета (профили Жуковского-Чаплыгина). В то же время Жуковский первым исследовал проблему сопротивления крылу профиля и обнаружил, что сопротивление существует через выход вихря с острого переднего края крыла. Серия работ Жуковского в 1910-1911 гг. была посвящена этому исследованию крыла бесконечного пролета. Исследования Н.Е. Жуковского о подъемной силе лежит в основе современной аэродинамики, его теорема о подъеме имеет фундаментальное значение для теории крыла. [1]
В связи с разработкой работ по аэродинамике по инициативе Жуковского создаются новые лаборатории, а старые расширяются. В 1910 году в Московском техническом училище была создана аэродинамическая лаборатория, в которой, в частности, появился новый тип плоской трубы, которая в настоящее время широко используется; расширилась аэродинамическая лаборатория в Московском университете, в которой была построена новая труба, создано устройство для исследования пропеллеров, а также была установлена ​​установка для изучения законов истечения газа.
В своей последней работе Жуковский изложил теорию распространения плоских и сферических волн на высоких скоростях и показал возможность ее применения для определения сопротивления снарядов. В аэродинамических лабораториях Московского университета и Московского технического училища в 1910-1911 гг. были проведены эксперименты по проверке результатов теоретических исследований Жуковского по аэродинамическим профилям. С той точностью, которую эксперимент мог дать в то время, теория Жуковского была подтверждена. В то же время эксперименты с профилями Жуковского позволили установить ценные аэродинамические свойства, указать направление, в котором исследования должны проводиться при проектировании различных профилей.
Жуковский, предполагая, что лопасть винта эквивалентна П-образному вихрю, создал вихревую теорию винта.  Теория Жуковского позволяет проектировать и конструировать все типы винтов: самолетные винты, вентиляторы аэродинамических труб, несущие винты геликоптеров и т