Профессор Жуковский не только помог строителям составить себе представление о необходимой мощности водосбора для снабжения водой Москвы и выбрать место для станции. Он неожиданно оказал большую услугу конгрессу врачей в Вене: конгресс изучал вопрос о развитии эпидемий в связи с колебанием уровня подпочвенных вод. Труд московского ученого сыграл видную роль в занятиях и решениях съезда.
Для изучения причин бедствия, постигшего московский водопровод, Жуковский отправился на Алексеевскую водокачку под Москвой. Он указал комиссии, что одна из главных причин аварий магистральных труб — развитие сильного ударного действия воды в трубах, когда их быстро открывают или закрывают. Но надо было проверить свою догадку, исследовать явление так называемого гидравлического удара, распространение которого происходит по законам волн. Все происходящее в теснинах чугунных труб Жуковский представлял себе очень ясно и, пожалуй, даже угадывал основные черты закона, управлявшего водной стихией. Однако чтобы выразить этот закон с помощью формул, доступных общему пониманию, требовалось еще тщательно исследовать явление опытным путем.
По указанию Николая Егоровича на водокачке соорудили опытную сеть водопроводных труб разных диаметров. Сеть заставляли работать при самых разнообразных условиях. Электрические звонки, хронометры, пишущие аппараты сторожили каждое движение воды, каждое колебание труб. Опытная сеть была построена с большим остроумием и предусмотрительностью.
Прежде всего экспериментатор определил длину и скорость волны при гидравлическом ударе. Далее оказалось, что действительно все явления гидравлического удара, как и предполагал Жуковский, объясняются возникновением и развитием в трубах ударной волны, происходящей в несжимаемой жидкости от расширения стенок трубы. Инженеры, строившие водопровод, не обратили внимания на то, что когда задвижка или кран быстро закрываются, то вода останавливается, давление внезапно возрастает и это новое состояние с возросшим давлением передается по трубам по закону распространения волнообразного движения. Обстоятельство это строители упустили из виду, очевидно, потому, что имели дело с недостаточно длинными трубами: в коротких трубах, ввиду громадной скорости распространения ударной волны, поднятие давления кажется происходящим вдоль всей трубы одновременно.
Жуковский установил затем, что опасное возрастание гидравлического удара получается при переходе ударной волны из труб большого диаметра в трубы малого диаметра и что сила ударного давления удваивается, достигнув концов больших труб. Такое удвоение, нарастая, в конце концов, при особо неблагоприятных условиях, вызывает разрыв трубы.
Установив причину аварий, исследователю оставалось только предложить меры к их предотвращению. Жуковский предложил ввести краны с приспособлением для медленного закрывания. Когда их ввели, аварии, донимавшие московский водопровод, прекратились.
Но этим дело не кончилось. Водопроводные аварии и медленно завинчивающиеся краны для Жуковского были только внешней, практической стороной дела. Истинная наука начиналась дальше этих границ, а Жуковский был великий ученый. Он заглянул гораздо глубже в сущность стихии и, возвратившись в практический мир, предложил нечто похожее уже на колдовство. Он, видите ли, нашел способ определять место аварии, не выходя из водокачки, не дожидаясь, чтобы вода в месте разрушения трубы выступила на поверхность мостовой. Секрет заключался в том, чтобы создать искусственный гидравлический удар на водокачке и затем взглянуть на ударную диаграмму; пользуясь теоретическим построением Жуковского, оказалось возможным точно определять место, где происходит утечка воды.
Когда старых рабочих-водопроводчиков прислали впервые на спокойную улицу с сухой и чистой мостовой и сказали им: «Ройте, тут лопнула труба!» — они посмотрели на инженера так, как будто тот сошел с ума или решил пошутить. Сняв верхний покров мостовой, люди молча приступили к работе. Они видели в этом неуважение к их труду, казавшемуся заведомо напрасным и бесполезным. Молодой инженер ждал, закусив губы. Люди шумно швыряли землю, но ждать пришлось недолго. За песчаным слоем последовала глина, напитанная доотказа водою, и вслед за тем захлюпала жидкая грязь: место разрыва трубы было определено по диаграмме с точностью до одного метра!
Так была решена профессором Жуковским задача о величине гидравлического удара и о скорости его волны.
Когда Жуковский 26 сентября 1897 года делал доклад об этом решении в Политехническом обществе, деловой вечер обратился в триумф отечественной теоретической науки и ее блестящего представителя. Слушателям было ясно, что они присутствовали на докладе мирового значения. И действительно, работа Жуковского «О гидравлическом ударе в водопроводных трубах», переведенная почти на все языки, стала теоретической основой для совершенствования всех гидравлических машин. Московский профессор рассеял туман, окутывавший многие вопросы, связанные с работой таких машин. Гидротехники получили возможность производить точные расчеты не только в водопроводном деле. Прежде всего были созданы правильные конструкции гидравлических таранов; тараны работали до тех пор очень плохо, так как наука не имела исходных положений для расчета длины трубы, подводящей воду. Как обеспечить наивыгоднейшее использование в таране гидравлического удара, никто не знал.
Попав в сферу влияния научных идей русского ученого, гидравлический таран начал жить заново. Без всяких дополнительных сооружений, без насосов, плотин и моторов тараны сейчас в наших колхозах подают из ложбин и овражков с текучей водой высоко наверх в коровники и конюшни живую струю.
Таковы теоретические и практические результаты решения одной из задач, изученных знаменитым ученым. За долгую свою жизнь Жуковский решил несколько сотен таких задач. И все эти задачи были труднейшими из предложенных мировой науке и технике практическими работниками самых разнообразных областей жизни.
Метод решения этих задач у Жуковского никогда не менялся. Он начинал с теоретического построения, основанного на глубоком понимании физической сущности явления, и, опираясь на свой разносторонний инженерный опыт, кончал практическим предложением.
Таким именно образом, например, подверг он дальнейшей разработке «Гидродинамическую теорию» Н. П. Петрова. В первой своей статье по этому вопросу, озаглавленной «О гидродинамической теории трения хорошо смазанных тел», Жуковский указывает на затруднения, с которыми приходится практикам встречаться, принимая теорию Петрова.
«В основу своей теории, — говорит Жуковский, — автор берет задачу о движении жидкого слоя между двумя вращающимися концентрическими поверхностями круглых цилиндров в предположении, что гидродинамическое давление вдоль всего слоя постоянно, во всех же приложениях он имеет дело с подшипниками, в которых упомянутый слой в некоторых местах находится под атмосферным давлением, так что по смыслу рассматриваемого движения жидкости давление вдоль всего слоя должно быть также равным атмосферному давлению. Откуда же берется сила, уравновешивающая давление шипа на подшипник?»[36]
Отвечая на этот вопрос, Жуковский не только находит объяснение, но и дает формулу гидродинамического напора, поднимающего подшипник.
Во второй статье — «О движении вязкой жидкости, заключенной между двумя вращающимися эксцентрическими цилиндрическими поверхностями» — Жуковский исследует вращение шипа в подшипнике в другом случае, когда оба они вращаются в противоположных направлениях с одинаковой угловою скоростью. Наконец в третьей статье, написанной совместно с А. С. Чаплыгиным — «О трении смазочного слоя между шипом и подшипником» — Жуковский и его первый ученик дают полное и окончательное решение интересующей их задачи.
Вопрос, поставленный Н. П. Петровым, был теоретически исчерпан в этих работах. Но этого мало. Для определения вязкости смазочных масел Н. П. Петров устроил весьма точный прибор, требующий, однако, продолжительных наблюдений и вычислений. Положив в основу тот же принцип течения масла в тонких трубках, Жуковский построил свой прибор, который позволяет делать наблюдения очень быстро и с достаточной точностью.