Механика от античности до наших дней
Шрифт:
В 10-й части закладываются основания кинетической теории газов. В этой же части рассмотрены свойства движения атмосферного воздуха и отдельные вопросы внутренней баллистики. Дальнейшее глубокое развитие общие идеи Бернулли получили в кинетической теории тепла Ломоносова. К сожалению, эти воззрения как Бернулли, так и Ломоносова привлекли интерес ученых лишь с опозданием на полтора столетия — тогда, когда была разработана современная кинетическая теория газов.
Наконец, в 12-й части решается важная задача об определении давления р в установившемся потоке несжимаемой жидкости постоянной плотности р, движущемся со скоростью и. С помощью простых и наглядных физических соображений здесь выводится знаменитое уравнение Бернулли, которое
где g — ускорение силы тяжести, h — высота относительно горизонтальной плоскости. Уравнение это выражает закон сохранения энергии, что сразу видно, если умножить его части на (первый член дает кинетическую энергию, сумма второго и третьего — потенциальную энергию, соответствующую давлению и внешним силам). Отметим, что Бернулли впервые проводит различие между гидростатическим и гидродинамическим давлением. Как известно, уравнение Бернулли с соответствующим учетом сил трения получило широкое применение в гидротехнике и является одним из основных в динамике газов.
Следующий этап развития гидродинамики связан с именем Леонарда Эйлера.
Эйлер подходил к своим основополагающим исследованиям по гидродинамике постепенно. Уже в первые годы работы в Петербургской академии наук он занялся изучением вопросов истечения жидкости по примеру Д. Бернулли, с которым поддерживал самые дружеские отношения. После отъезда Бернулли в Швейцарию они регулярно обменивались мнениями по различным научным вопросам, в том числе и по механике. Д. Бернулли держал Эйлера в курсе работы над «Гидродинамикой». Сам Эйлер с середины 30-х годов занимался подготовкой большого труда по теории корабля. В этой связи в его переписке с Иоганном и Даниилом Бернулли, а также другими лицами не раз обсуждаются вопросы устойчивости плавающих тел.
Интерес к теоретическим проблемам кораблестроения, зародившийся в древности — его можно усмотреть уже у Архимеда, — особенно возрос в новое время. Когда Россия обзавелась большим собственным флотом и стала могущественной морской державой, эти проблемы возникли и здесь. Работу по теории корабля Эйлер предпринял по прямому поручению Петербургской академии. Он значительно продвинулся вперед еще до отъезда в Берлин, а уезжая, обещал завершить труд на новом месте. Книга была закончена в 1743 г. и вышла под названием «Морская наука, или трактат о постройке кораблей и управлении ими» в издании Петербургской академии наук в 1749 г.
«Морская наука» состоит из двух томов. В первом изложена общая теория равновесия и устойчивости плавающих тел, во втором теория применяется к анализу вопросов, связанных с конструкцией и нагрузкой кораблей. Это сочинение занимает видное место как в развитии теории устойчивости и теории малых колебаний, так и в кораблестроении. Впоследствии для нужд морских школ Эйлер выпустил сокращенное руководство, сперва изданное в 1773 г. на французском языке, а затем в 1778 г. на русском под названием «Полное умозрение строения и вождения кораблей, сочиненное в пользу учащихся навигации»; тогда же были выпущены английское и итальянское издания.
В 40-е годы Эйлеру пришлось не раз сталкиваться с вопросами гидро- и аэромеханики. Такие вопросы вставали, в частности, в области баллистики.
Впервые Эйлер занялся баллистикой еще в 1727 или 1728 г. в связи с опытами Д. Бернулли, изучавшего движение сферического снаряда, выпущенного в вертикальном направлении. Затем, как уже упоминалось, Эйлер рассмотрел в своей «Механике» вопрос о движении тела в среде, сопротивление которой пропорционально той или иной степени скорости. В 1742 г. англичанин Б. Робине (1707—1751) выпустил книгу «Новые принципы артиллерии». Вопросами артиллерии интересовался прусский король Фридрих II; когда он обратился к Эйлеру с просьбой назвать лучшее сочинение на эту тему, тот с похвалой отозвался о книге английского ученого и выразил согласие перевести ее на немецкий язык с необходимыми пояснениями и дополнениями. Так возник большой совместный труд Робинса — Эйлера в 720 страниц, полное заглавие которого гласило: «Новые принципы артиллерии, содержащие определение силы пороха
В сочинении Робинса и дополнениях Эйлера разобраны основные задачи внешней и внутренней баллистики. Отсылая за подробностями к уже имеющейся литературе{166}, мы ограничимся указаниями на разработку Эйлером собственной теории обтекания твердого тела идеальной жидкостью и на его анализ движения снаряда в канале ствола орудия, основанный на модели структуры воздуха, предложенной Эйлером еще в 1727 г.
Заметим, что работа Эйлера по упругости воздуха привлекла внимание Ломоносова. Исследуя свойства селитры, Ломоносов, естественно, встретился с вопросом об упругой силе пороха и в этой связи писал 5 июля 1748 г. Эйлеру: «Я читаю с большой пользой для себя «Артиллерию» Робинса, снабженную Вами превосходными замечаниями»{167}. Далее Ломоносов говорил о разработке им собственной теории упругости воздуха.
С задачами механики жидкостей Эйлер вновь встретился в 1749 г. при консультировании работ по проведению канала между Гавелем и Одером, а затем после изобретения Сегнером (1704—1777) гидравлической машины, известной теперь каждому школьнику под именем «Сегнерова колеса». Анализу устройства и действия этой машины и попыткам ее практического применения посвящена обширная переписка между Эйлером и Сегнером за 1750— 1754 гг.{168} и ряд их статей. Эйлер внес в первоначальный вариант машины Сегнера столь важные усовершенствования (присоединение так называемого направляющего аппарата и др.), что именно машина Эйлера, а не Сегнера является прообразом реактивных гидравлических турбин, строить которые начали три четверти века спустя. Вместе с тем в работе «Более полная теория машин, проводимых в движение реакцией воды», напечатанной в 1754 г. в 10-м томе «Мемуаров Берлинской академии наук», Эйлер впервые разработал общую теорию движения несжимаемой идеальной жидкости в узких трубах двоякой кривизны, вращающихся около неподвижной оси. При этом он фактически оперировал с понятием ускорения Кориолиса, которое французский механик ввел в 1831 г.
Методы расчета гидравлических турбин Эйлера, покоящихся на струнной теории, сохранили с соответствующими улучшениями свое значение в практическом машиностроении. Известный немецкий специалист по прикладной математике профессор К. Шредер пишет: «Можно сказать, что эти выдающиеся работы характеризуют Эйлера как ученого-инженера в современном смысле слова»{169}.
В 50-е годы Эйлер подготовил несколько больших работ по гидромеханике. Первая из них «Начала движения жидкостей» была напечатана в VI томе «Novi Commen-tarii» за 1756—1757 гг. В ней излагались общие начала гидро- и аэростатики, выводилось уравнение неразрывности для жидкости с постоянной плотностью. Значительная часть материала этой статьи нашла свое отражение в других работах Эйлера, написанных позднее, но вышедших раньше. Это были следующие три работы Эйлера: «Общие начала состояния равновесия жидкостей», «Общие начала движения жидкостей» и «Продолжение исследований по теории движения жидкостей», напечатанные в 1753—1755 гг. во 2-м томе «Мемуаров Берлинской академии наук». Эти классические работы составили основополагающий трактат по гидродинамике.
Первая из этих трех работ содержит глубокий анализ понятия давления, его свойств и приложений, а также вывод дифференциального условия равновесия жидкостей и газов.
Вторая статья имела решающее значение для всего последующего развития гидро- и аэродинамики, ибо именно в ней был впервые опубликован вывод уравнения неразрывности для сжимаемой жидкости и общих уравнений гидродинамики, называемых теперь уравнениями Эйлера.
В третьей статье приведены некоторые теоремы о движении жидкостей и газов в узких трубках произвольной формы.