|
ВСТУПИТЕЛЬНАЯ ЛЕКЦИЯ М.А.ЛАВРЕНТЬЕВА НА ОТКРЫТИИ ЛЕТНЕЙ ФМШ 1 АВГУСТА 1974 ГОДА
От имени ученых Сибирского отделения Академии наук поздравляю вас с первым этапом научной деятельности. Во время вашего пребывания в Летней ФМШ ваши руководители, молодые научные сотрудники, будут стараться ставить вам такие задачи, которые потребуют сообразительности и инициативы.
Я тоже хочу рассказать вам сегодня о некоторых задачах гидродинамики, на примере которых можно увидеть всякие неожиданности, которые встречаются при научных исследованиях или рождаются из практики.
До сих пор не решена гидродинамическая задача, которая десятилетиями занимала ученых и путешественников, - это задача о волнах в тяжелой жидкости. Представьте себе: дует ветер, на море возникают волны. Как предсказать их величину и скорость? Написаны тысячи работ, построены сотни установок, во Франции в Марселе создан бассейн километровой длины для изучения ветровых волн - и все-таки мы не умеем их как следует предсказывать и рассчитывать.
Не решена проблема внутренних бурь. Бывают случаи, когда подводную лодку вдруг начинает трепать невидимый глубинный шторм. Откуда он берется? Об этом мы знаем еще очень мало. Между тем это вполне реальная угроза для подводного плавания. По-видимому, именно в такой буре погибла несколько лет назад американская подводная лодка «Трешер».
Все вы изучали в школе, что существует Гольфстрим - мощное течение, своего рода река в океане. Оно движется от берегов Америки через Атлантику, огибает Норвегию, наш Кольский полуостров, а дальше теряется в Северном Ледовитом океане. Это течение существует тысячи лет с необычной стабильностью. Почему?
В последние годы появилось много работ по плаванию рыб. Дело в том, что замечен парадокс, по которому расчетное сопротивление рыбы как плавающего тела гораздо больше, иногда в несколько раз, чем реальное сопротивление живой рыбы. В чем тут дело?
Или другая задача, связанная с движением ужа или угря. Представьте себе, что ужа или угря загнали в синусоидальный канал так, что зазора между ним и стенками нет. Уж очень скользкий, то есть трения нет. Уж способен напрягаться любым своим звеном. Вопрос состоит в том, сумеет ли уж вылезти из канала. Эта задача пришла мне в голову на одном семинаре, я предлагал ее многим ученым, старым и молодым, в том числе за рубежом. Все говорили - нет, не может. А на самом деле - может!
Была сделана модель: в трубку с меняющейся кривизной был засунут смазанный маслом упругий стержень. На это затрачивается энергия. А когда стержень отпустили, он моментально выскочил из трубки. Созданная в стержне потенциальная энергия перешла в кинетическую.
Так же движется в траве или мягком грунте уж. Извиваясь, он накапливает, а затем использует энергию своего тела и скользит вперед.
Почему я обещал вам задачи по гидродинамике, а рассказываю, как передвигается змея в траве? Гидродинамика - одна из древнейших наук, и приложения ее часто совершенно неожиданны. Многие разделы гидродинамики так же, как, например, теория волн, стали разделами математики. Уравнения все усложняются, вручную решать их часто уже невозможно, требуются вычислительные машины.
Но интересно и другое. Уравнения для жидкости, оказывается, могут описывать и другие среды: и газ, и твердые тела. Например, теория крыла самолета родилась на водяных моделях. Да и вообще почти вся авиация имеет дело с уравнениями для жидкости.
Жидкие модели оказались пригодными даже для металла. Оказывается, есть много явлений, при которых металл можно считать по формулам для жидкости. Расскажу о нескольких таких задачах, сравнительно свежих, которые возникли из взрывной техники.
Представим себе стальную плиту достаточной толщины. Ставим на нее заряд ВВ (взрывчатого вещества). Поджигаем, ВВ начинает детонировать. Огонь распространяется по веществу почти мгновенно, со скоростью 5-8 км/с, вещество превращается в газ с огромным давлением. В плите образуется вмятина глубиной примерно в одну четвертую диаметра заряда. Если отодвинем заряд от плиты хотя бы на 1/2 d, то никакой вмятины не будет.
Попробуем теперь взять заряд с конической выемкой, прилегающей к плите. Казалось бы, мы тем самым удаляем массу ВВ от плиты. А происходит наоборот - вмятина увеличивается! Если отделить эту коническую полость металлическим конусом, вмятина, как ни странно, становится еще глубже. А если теперь отнести заряд от плиты, он пробьет ее насквозь! Это необъяснимое явление было открыто горняками при дроблении взрывом особо твердых пород. Назвали его кумуляцией. В 1914 году немцы придумали кумулятивный противотанковый снаряд. На конусе снаряда - запал. При ударе он вызывает детонацию и воспламеняет весь заряд. Снаряд пробивает броню.
В 1944 году такие немецкие снаряды попали в наши руки и в руки союзников. Начался широкий эксперимент. При этом обнаружили много дополнительных эффектов и парадоксов.
Стали выяснять - что же летит, что пробивает? Сперва думали, что этот снаряд бронепрожигающий, что броню пронзает струя горящего газа. Нет, оказалось, что летит металл, причем самым необъяснимым образом: перед плитой скорость около 8 км/с, внутри плиты 4 км/с, а за плитой снова 8 км/с. Как это может быть? Ни механика, ни газовая динамика не могли дать ответа.
А решение оказалось чрезвычайно простым! Даже математический аппарат уже был - за 15 лет до этого в гидродинамике уже была теория - теория жидких струй. И она целиком подошла к этой задаче.
Дело в том, что при давлении в тысячи атмосфер прочность металла уже не важна. И как это ни парадоксально, железо можно считать за воду. Вы замечали, наверное, что когда волна заходит в узкий клинообразный залив, получается всплеск. То же происходит в конусе - волна в «жидком» металле, достигнув вершины конуса, дает всплеск - металлическую струю. Эта струя пробивает броню.
Интересно, что одна из первых публикаций об этом явлении была сделана известным американским физиком Вудом в связи с загадочной смертью богатой американки. Эту американку нашли мертвой в кресле у камина. Врачи установили смерть от разрыва сердца, хотя сердечными болезнями она не страдала. На груди в области сердца было обнаружено небольшое красное пятнышко... Уголовный розыск ничего не установил. Тогда привлекли физика Вуда, и он все объяснил.
В камине горел уголь, добытый в шахтах взрывным способом. Для подрыва применялись капсюли-детонаторы - небольшие «папиросы» из меди с выемкой на конце, наполненные ВВ. К капсюлю подводился бикфордов шнур, капсюль взрывал всю массу ВВ. Отчего же погибла американка? Очевидно, в камин вместе с углем попал потерявшийся и невзорвавшийся капсуль. Когда в камине он наконец сработал, из него вылетела тонкая струйка металла, которая - по редчайшей случайности - попала в сердце американки. Так было обнаружено явление кумуляции.
Каждый может провести аналогичный опыт - налить в пробирку воду, а потом уронить ее. Из пробирки при ударе об пол вылетит тонкая струйка, иногда на высоту до нескольких метров.
При исследовании кумулятивных зарядов выяснилось еще одно парадоксальное явление. Для определения глубины пробития были произведены сотни тысяч выстрелов из пушек. Раньше для опытных снарядов хорошо работала классическая французская формула глубины пробития:
где α>2, m - масса снаряда, d - диаметр, v - скорость, k - некий коэффициент. Видно, что основную роль здесь играет скорость. Когда скорость возрастала вдвое, глубина пробития увеличивалась в 4-6 раз.
Оказалось, что для кумулятивных снарядов эта формула не годится - для них глубина пробивания не зависела от скорости! Но и это объяснилось просто: в кумулятивном снаряде броню пробивает металлическая струя, нечто вроде летящего со скоростью 4-6 км/с куска проволоки, и глубина пробития зависит вовсе не от скорости снаряда, а от длины этой проволоки. Просто - оно просто, но когда я впервые делал об этом доклад среди специалистов, их реакция была резко отрицательная. Это все было ново и не укладывалось в привычные представления.
Еще более хитрая задача: что получится при ударе о преграду обыкновенного шарика, брошенного с космической скоростью 10-15 км/с. Это имеет значение для исследований космоса, чтобы решить, как защищать космический корабль от мелких метеоритов, от космической пыли. У нас, в Институте гидродинамики, как раз испытывают таким способом в лабораторных условиях стойкость различных материалов (мы имеем мировой рекорд по скорости метания частиц - 16 км/с). Здесь законы пробивания совсем другие - сначала металл ведет себя, как жидкость, а затем уже - как газ.
Многие метеориты, падение которых было зафиксировано, найти не могут. Существует много гипотез на этот счет. Разгадка, по-видимому, в том, что при ударе о землю тела, летящего с космической скоростью, это тело мгновенно превращается в газ. Такой удар эквивалентен взрыву ВВ с потенциальной энергией, равной энергии падающего тела.
Еще одна старая проблема, имеющая и практический, и теоретический интерес, - это образование вихрей в жидкостях и газах. Многие парадоксальные явления в атмосфере могут быть объяснены появлением вихрей.
Давайте сравним, как распространяются в воздухе некий замкнутый объем и вихрь. Элементарный опыт: я бросаю воздушный шарик. Он пролетает, как вы видите, всего 10-15 своих диаметров, скорость быстро гаснет из-за большого сопротивления. А если мы бросим такую же массу воздуха без оболочки, то в брошенной массе создается вихревое движение и главная ее часть пролетит до задних рядов зала (голоса с места: «А не убьет?»).
 | | В зал летят дымовые кольца |
(Далее демонстрируется опыт. На столе установлена камера в виде куба. Задняя стенка - резиновая, в передней - отверстие. Камеру наполняют дымом. Когда по задней стенке ударяют деревянным молотком, из отверстия вылетают дымовые кольца и с большой скоростью летят в зал. Аплодисменты. Некоторые ребята подскакивают, пытаются их поймать).
 | | Ребята пытаются их поймать |
Все дело в том, что это летит как бы тело со своеобразным устройством. Внутри кольцевого вихря образуются циркуляционные течения, такие, что трения при его движении почти нет. Пока что использовать это явление не удается. Пытались даже делать подводные лодки на этом принципе, в виде дисков, - не получилось. Но теория вихрей весьма интересна и важна для объяснения многих явлений природы.
Струи жидкости и газа - тоже явление давно известное, есть классические теории, но все-таки их еще мало для объяснения различных эффектов. Вот еще один опыт: вы видите, как устойчиво держится мяч в струе воздуха, направленной вверх, или даже в наклонной. Мяч прыгает, но со струи не соскакивает. Вы можете повторить этот опыт даже с помощью пылесоса. А мы уже давно собираемся устроить перед Институтом гидродинамики такую установку, чтобы огромный пустотелый медный шар прыгал в струе воды...
Я вам рассказал только несколько задач. Если вы пойдете в науку, на вашу долю придутся еще сотни и тысячи разных проблем, больших и малых.
Что же самое главное, что определяет успех ученого? Это способность непрерывно думать о своей проблеме. Не от звонка до звонка, а и ночью, и днем, даже на скучной лекции очень хорошо думается о своем.
Простые задачи, сводящиеся к известным комбинациям, решать легче, чем сложные, со многими зависимостями. Очень важно поэтому умение расчленить задачу, искать упрощенные, новые подходы или даже обходные пути.
Очень важна кооперация. Такие проблемы, как, скажем, космические исследования или атомная энергетика, - это дело огромных коллективов, требующее участия почти всех наук. В науке нужны люди разного толка: и с широким кругозором, и узкие, но глубокие специалисты, и с сильно развитой техникой работы, и генерирующие идеи, и умеющие быстро напрягаться, сосредотачиваться, своего рода «бронебойные пушки».
Бывает, что ученый ошибается. Я думаю, что ученых без ошибок не бывает (есть даже такие, у которых вообще мало правильных работ). Но надо иметь мужество признать свою ошибку.
Сейчас ученых стало очень много. Попадаются среди них и дельцы от науки, примазавшиеся к науке. От таких надо избавляться.
Желаю вам всего наилучшего. Чтобы как можно больше из присутствующих здесь стали настоящими учеными. Наука - не просто увлекательная игра. Это трудное дело, нужное нашей Родине.
Всяческих вам успехов.
| |  | |
| | |
| | | Вступительная лекция М.А.Лаврентьева на открытии летней ФМШ 1 августа 1974 года // Российская академия наук. Сибирское отделение: Век Лаврентьева / Сост. Н.А.Притвиц, В.Д.Ермиков, З.М.Ибрагимова. - Новосибирск: Издательство СО РАН, филиал «Гео», 2000. - С.310-315. |
|
|
