В разные периоды своей ученой деятельности Жуковский занимался и вопросом о прочности велосипедного колеса, и вопросом о наивыгоднейшем угле наклона аэроплана, и вопросом о рациональной форме корабля. С исчерпывающей полнотой, вплоть до демонстрации механических моделей, он отвечал и на вопрос, почему кошки при падении всегда падают на лапы, и на вопрос, почему из фабричных труб дым выходит клубами, и на тысячу других больших и малых вопросов. Он дал ясное объяснение явлений кровообращения в человеческом организме и явлений кавитации гребного винта. Он делал доклады о парении птиц, о движении прямолинейных вихрей, о сопротивлении воздуха при больших скоростях, о движении вагонов по рельсам, о снежных заносах, о ветряных мельницах, о качке кораблей и еще о множестве других разнообразных явлений, которые служили ему только поводом для теоретических построений огромного и широчайшего значения.
Самое большое практическое значение среди всего, что сделал Жуковский, получили его работы по вопросам авиации и воздухоплавания.
Этими работами, доставившими ему мировую славу, он воздвиг себе нерукотворный памятник и завоевал почетное имя «отца русской авиации».
Но мы должны все-таки указать, что из девяти томов сочинений Жуковского вопросам авиации посвящен только один.
Уже в раннюю пору своей научной работы Николай Егорович не сомневался в возможности осуществления динамического полета.
— Птицы летают, почему же человек не может летать? — говорил он.
Жуковский начал свою ученую деятельность как гидродинамик; он много занимался вопросами чистой математики, теоретической и прикладной механики, всегда отзываясь на запросы живой практики. Но время от времени он выступал с докладами и по вопросам воздухоплавания и авиации. После доклада «К теории летания», состоявшегося в 1890 году, и знаменитой работы «О парении птиц», вышедшей в 1892 году, появляется его статья «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов».
В первой из этих работ Жуковский решает вопрос о происхождении силы тяги у тела, которое как бы внутренними силами перемещается в воздухе. Он доказывает, что сила тяги не может получиться, если не учитывать трения и если считать, что при таком движении происходит плавное обтекание тела, без образования срывов воздушных струй. Не решая окончательно вопроса о том, трению или срыву струй обязана своими образованиями сила тяги, Жуковский склоняется к мнению, что сила тяги возникает вследствие трения.
Рисунок Н. Е. Жуковского, доказывающий возможность совершения мертвой петли планером. Из работы «О парении птиц», 1892 год.
За несколько лет до того, как поднялся в воздух первый планер, Жуковский в статье «О парении птиц» дал объяснения тому, каким образом птицы могут парить в воздухе с неподвижно распростертыми крыльями, и теоретически доказал, что можно построить аппараты для искусственного парения — планеры, которые будут устойчивыми в воздухе и даже смогут совершать «мертвые петли». Много позже первую в мире мертвую петлю, возможность которой доказал Жуковский, осуществил русский летчик Нестеров.
Доказав в статье «О парении птиц» возможность создания устойчивых в воздухе летательных аппаратов, Жуковский в новой работе — «О наивыгоднейшем наклоне аэропланов» — решает задачу о нахождении наивыгоднейшего угла наклона, что имеет решающее значение при проектировании самолета. Таким образом, к тому времени, когда жизнь предъявила к теоретической авиации свои требования и когда состоялись первые полеты, Жуковский, внимательно следивший за всеми новостями в этом деле, оказался во всеоружии тех знаний, которые нужны были для создания теоретических основ авиации.
Как только были совершены первые робкие полеты на аппаратах тяжелее воздуха, тотчас же перед наукой стал вопрос, выдвинутый практической авиацией: откуда берется подъемная сила у крыла и, главное, каким теоретическим способом можно ее вычислить?
Насколько Жуковский был готов ответить на этот основной вопрос, видно из того, что уже в 1906 году он дал в своей работе «О присоединенных вихрях» и правильный ответ на вопрос и формулу, позволяющую произвести расчет сил, действующих на крыло.
Статья эта появилась в результате сделанного Жуковским замечательного открытия. Он открыл, что, кроме всех известных типов течений газа или жидкости, есть еще один тип, при котором образуется особенная сила, получившая название «сила Жуковского». Благодаря этому открытию стали понятными все явления, происходящие в воздухе близ летящего тела, была создана полная теория крыла моноплана, началось строительство современных самолетов, имеющих толстое крыло с острой задней кромкой, и авиация получила то развитие и то значение, которые теперь всем известны.
Жуковский показал, что механизм образования подъемной силы у хорошо обтекаемой «дужки», какою является крыло, не сводится к сопротивлению. Наличие подъемной силы обусловлено тут не сопротивлением, как у змея, а разностью скоростей под крылом и над крылом, или, как говорят, «циркуляцией» воздушных струй вокруг крыла.
Это открытие Жуковского и до сих пор остается предметом величавшего внимания аэродинамиков во всем мире.
А. А. Микулин, вспоминая о Н. Е. Жуковском в двадцатую годовщину его смерти, писал в заключение:
Листок из записной книжки первого русского военного летчика Нестерова. Схема «петли Нестерова» (мертвой петли), сделанной Нестеровым 27 августа (9 сентября) 1913 года. Автограф летчика.
«Имя Н. Е. Жуковского известно во всем мире. Помню, однажды в 1935 году мы приехали с комиссией осматривать лабораторию Кембриджского университета в Англии. В большой аэродинамической трубе гудел ветер, английские инженеры и профессора вели наблюдения за приборами и вели записи в протоколах. По окончании эксперимента мы спросили, что они изучают? С уважением к великому имени нам ответили: „Дужку Жуковского!“»[37]
Ученик и ближайший сотрудник Жуковского академик Л. С. Лейбензон вспоминает, что впервые мысль о роли циркуляционных потоков в образовании давления, которое испытывают обтекаемые воздухом крылообразные тела, возникла у Жуковского осенью 1904 года, при наблюдении полетов воздушного змея. За этим наблюдением последовала догадка, проверке которой Жуковский посвятил два года. После многих опытов и размышлений Жуковский установил тот закон, который получил во всем мире его имя.
Закон этот гласит:
«Подъемная сила равна по величине произведению плотности воздуха, циркуляции и скорости потока, а направление ее получается поворотом скорости потока на прямой угол в сторону, обратную циркуляции».
До открытия Жуковского единственным источником подъемной силы приходилось считать, при отсутствии трения, образование срывов при отрыве струй от поверхности обтекаемого тела. Жуковский указал другой возможный источник образования силы — присутствие добавочного циркуляционного движения вокруг обтекаемого тела. Он открыл, таким образом, совершенно новый тип течений — течений, плавно обтекающих тело, но с присоединенным «циркуляционным» вихревым потоком.
Понадобилось, однако, еще много времени, труда, опытов и размышлений для того, чтобы ответить на вопрос, откуда берется этот добавочный циркуляционный поток и как определить величину циркуляции вокруг крыла.
Только в 1910 году удалось Н. Е. Жуковскому ответить с предельной ясностью на этот вопрос. Известный под названием «основной гипотезы Жуковского» ответ этот практически сводится к тому, что циркуляция образуется при наличии у обтекаемого тела острых кромок. Так как при плавном обтекании, согласно открытому Жуковским закону, подъемная Сила возникает только благодаря добавочному циркуляционному потоку, то для крыла необходима острая кромка. Таким образом, теоретически удалось выяснить, что наивыгоднейшей формой крыльев в авиации будут крылья с острой кромкой.