Академик Чаплыгин

Сергей Алексеевич Чаплыгин (24 марта (5 апреля) 1869, Раненбург — 8 октября 1942, Новосибирск) — русский физик, один из основоположников гидро- и аэродинамики, академик  АН СССР (1929), Герой Социалистического Труда  (1941).

Родился в Рязанской губернии в городе Раненбурге 5 апреля 1869 года. Его отец, Алексей Тимофеевич, служил продавцом в лавке, а мать, Анна Петровна, красивая и добрая женщина, вела домашнее хозяйство. Родители жили дружно, но семейное счастье продолжалось недолго. Когда Сереже было два года, отец умер от холеры, свирепствовавшей тогда в тех местах.

Через некоторое время, по настоянию родителей, Анна Петровна вышла вторично замуж и переехала вместе с сыном в Воронеж, где на кожевенной фабрике работал ее новый муж Семен Николаевич Давыдов.

Сережа рос вдумчивым, не по летам серьезным мальчиком. Он рано научился читать и считать, с удовольствием помогал матери по хозяйству. Отчим к пасынку относился хорошо. Узнав о том, что мать хочет дать сыну образование, он привел в дом знакомого семинариста, который взялся подготовить Сережу к поступлению в гимназию, и мальчик выдержал вступительные экзамены. Помогли выдающиеся способности и блестящая память.

Давыдов оказался плохим семьянином и оставил Анну Петровну одну с пятью детьми на руках. На старшего Сергея легли дополнительные заботы. После занятий в гимназии он бежал домой помогать матери по хозяйству, а затем отправлялся давать уроки.

Преподавателям скоро стало ясно, что мальчик обладает незаурядными способностями и редкой памятью. Ему одинаково легко давались древние и новые языки, история и другие предметы, но особенный интерес проявлял он к математике. В четырнадцать лет он сам стал учить детей, занимаясь репетиторством с детьми помещиков.

Окончив в 1886 году гимназию с золотой медалью, Сергей Чаплыгин поступает на физико-математический факультет Московского университета. Сергей живет впроголодь, часто у него нет даже трех копеек на конку, и на уроки из конца в конец Москвы приходится добираться пешком, но он не жалуется, а настойчиво овладевает науками. Лучше всего он знал свои любимые предметы — математику, физику, астрономию, механику. Их ему читали такие известные ученые, как Б.К. Млодзеевский, Александр Григорьевич Столетов, Ф.А. Бредихин, Н.Е. Жуковский. Поступая в университет, Сергей думал специализироваться по чистой математике, но под влиянием лекций профессора Жуковского увлекся механикой. Он прилежно занимается, не пропускает ни одной лекции, хотя ему по-прежнему приходится давать частные уроки, чтобы заработать себе на жизнь. Большую часть денег он посылает матери в Воронеж.

Николай Егорович Жуковский сразу обратил внимание на блестящие способности Сергея Чаплыгина, с которым он встречался на лекциях. По совету любимого профессора Сергей Чаплыгин начинает свой первый научный труд по гидродинамике «О движении тяжелых тел в несжимаемой жидкости». Это исследование, представленное в 1890 году Чаплыгиным в качестве дипломной работы, было награждено университетом золотой медалью. По предложению Жуковского Сергей Чаплыгин был оставлен в университете для подготовки к профессорскому званию. Ему была назначена стипендия в размере пятидесяти рублей в месяц. Так, первый научный труд Чаплыгина определил его дальнейшую жизнь.

С 1893 Сергей Чаплыгин преподавал физику в женском среднем учебном заведении, механику в Императорском техническом училище, Московском инженерном училище, Московском университете.

Работая над диссертацией, С. Чаплыгин одновременно начинает вести преподавательскую работу. Вначале с 1893 года в качестве учителя физики в одном из средних учебных заведений Москвы, а с 1894 года он становится приват-доцентом Московского университета.

Происходят изменения и в личной жизни Сергея Алексеевича. Осенью 1894 года он женится на своей квартирной хозяйке Екатерине Владимировне Арно. 3 августа 1897 года у них родилась дочь Ольга.

Вторая научная работа молодого ученого «О некоторых случаях движения твердого тела в жидкости», опубликованная в 1897 году, была защищена им в следующем году в качестве магистерской диссертации. В ней Сергей Чаплыгин дал геометрическую интерпретацию законов движения твердых тел в жидкости, найденных ранее в аналитической форме некоторыми русскими и иностранными исследователями. Жуковский оценил работу Чаплыгина как классическую.

Сергей Чаплыгин — организатор и директор Московских высших женских курсов (1905—1918). Чаплыгиным написаны университетский курс аналитической механики «Механика системы» (ч. 1-2, 1905-07) и сокращенный «Преподавательский курс механики» для втузов и естественных факультетов университетов (1915). Первые труды Чаплыгина, созданные под влиянием Жуковского, относятся к области гидромеханики. В работе «О некоторых случаях движения твёрдого тела в жидкости» (1894) и в магистерской диссертации «О некоторых случаях движения твёрдого тела в жидкости» (1897) он дал геометрическую интерпретацию законов движения тел в жидкой среде.

С.Чаплыгин продолжает вести большую научную работу. Его интересует движение твердых тел по шероховатой поверхности. В результате появляются два исследования: «О движении тяжелого тела вращения на горизонтальной плоскости» и «О некотором возможном обобщении теоремы площадей с применением к задаче о катании шаров», за которые в 1900 году Сергей Алексеевич Чаплыгин  награждается Петербургской академией наук почетной золотой медалью.

На рубеже веков С.А. Чаплыгин начинает заниматься струйными течениями в несжимаемых, а затем и в сжимаемых жидкостях. В 1895 году он делает доклад «О движении газа с образованием разрыва» на заседании Московского математического общества, а в 1903 году защищает докторскую диссертацию «О газовых струях», в которой был предложен метод исследований струйных движений газа при любых дозвуковых скоростях.

Коротко суть работы «О газовых струях» в следующем. Когда тело движется в потоке воздуха, то оно испытывает аэродинамическое сопротивление. Это сопротивление тем больше, чем больше скорость перемещения. Сергей Чаплыгин показал, что для скоростей движения, не превышающих 100 м/с, аэродинамическое сопротивление пропорционально квадрату скорости. Если скорость приближается к скорости звука (в воздухе она примерно равна 331 м/с), то для нахождения величины лобового сопротивления необходимо решить еще одно дифференциальное уравнение, которое теперь называется уравнением Чаплыгина. Эффективность предложенного ученым способа расчета плоских газовых потоков и сделала эту работу наиболее выдающимся исследованием по газовой динамике за полвека ее развития.

Эта работа стоит особняком в творчестве ученого, и судьба ее необычна. Она долго оставалась непонятой и неоцененной современниками. В то время, когда авиация делала свои начальные шаги, ученый писал о движении со скоростями, близкими к скорости звука. Кроме того, работа была написана кратко, сжато, и понять ее было трудно.

Но недаром говорят, что нет ничего более практичного, чем хорошая теория. В 1935 году в Риме на конференции по большим скоростям в авиации иностранные ученые познакомились с работой Сергея Чаплыгина и назвали ее лучшим по точности, оригинальности и изяществу метода исследованием в области газовой динамики. Через сорок лет после появления работы Чаплыгина самолеты стали летать со скоростями, близкими к скорости звука. Для инженеров, конструкторов и разработчиков авиационной техники труд ученого стал настольным справочником.

Вскоре после защиты докторской диссертации Чаплыгин был избран профессором Московского университета.

Лишь через 30 лет работа Чаплыгина явилась основой для решения задач о звуковых течениях, а развитие созданных в ней методов привело к решению основных вопросов, связанных с работой крыла при больших дозвуковых скоростях. Вопросы аэродинамики стали центром его научной деятельности. В 1910 г. почти одновременно появились работы Чаплыгина «О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела» и Жуковского «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов», в которых впервые даются способы количественного определения циркуляции вокруг профиля. Это явилось необходимым дополнением к теореме Жуковского о подъёмной силе крылового профиля. В своей работе Чаплыгин применил выдвинутый им принцип схода струй с острой кромки крыла к определению течений около ряда конкретных профилей. В ней же содержатся формулы определения аэродинамической подъёмной силы и момента.

В 1910 году ученый выступил на заседании Московского математического общества с докладом, в котором показал, как можно подсчитать циркуляцию при обтекании крыла потоком воздуха. Таким образом, если Жуковский сделал первый фундаментальный шаг в объяснении возникновения подъемной силы крыла самолета, то Чаплыгин сделал второй фундаментальный шаг, показав, как можно вычислить реальную подъемную силу крыла самолета.

В 1911 году в Московском университете произошли студенческие волнения. Они были жестоко подавлены тогдашним министром просвещения Львом Аристидовичем Кассо. В знак протеста против расправы над студентами из университета ушли все лучшие профессора и преподаватели, в том числе и Чаплыгин.

В 1914 г. появилась фундаментальная работа Чаплыгина «Теория решётчатого крыла», в которой заложены основы теории обтекания решёток циркуляционным потоком, явившейся базой для расчёта винтов, турбин и других лопаточных машин. В последующих трудах Чаплыгин решил ряд сложных задач, связанных с определением точки приложения подъёмной силы, определением сил, действующих в неустановившемся полёте, теорией т. н. механизированного крыла, вопросами устойчивости крыла в полёте и т. д.

Большой вклад внёс Чаплыгин в математику. Его исследования по приближённому интегрированию дифференциальных уравнений принадлежат к крупным достижениям математической мысли. Идеи Чаплыгина оказались применимы не только для решения широких классов дифференциальных уравнений, но и при приближённом решении весьма общих классов функциональных уравнений.

После Октябрьской революции 1917 г. Чаплыгин активно продолжает вести научные исследования. С 1918 г. он участвует в работе Комиссии особых артиллерийских опытов при Главном артиллерийском управлении и в работе Научно-экспериментального института путей сообщения, а в конце 1918 г. привлекается Жуковским к организации ЦАГИ. В 1921-1930 г.г. Чаплыгин — председатель коллегии, в 1928-1931 г.г. — директор-начальник ЦАГИ. В последующие годы Чаплыгин руководил созданием крупнейших аэродинамических лабораторий ЦАГИ (1931-41). Премия им. Н. Е. Жуковского (1925). Награждён 2 орденами Ленина, 2 орденами Трудового Красного Знамени. Академия наук СССР учредила в 1942 премию им С. А. Чаплыгина «За лучшую оригинальную работу по теоретическим исследованиям в области механики».

После Великой Октябрьской социалистической революции Сергей Алексеевич вернулся в университет. Было трудное время. Трамваи не ходили, и на занятия профессора и студенты добирались пешком. Здание университета не отапливалось, и в аудиториях все сидели в пальто и шапках. Но, несмотря на эти трудности, жизнь университета шла своим обычным порядком. Преподаватели в точно назначенное время входили в аудитории и начинали занятия с немногочисленными тогда студентами.

Помимо преподавания в университете Сергей Алексеевич Чаплыгин продолжает заниматься исследовательской работой. С 1918 года он участвует в работе Комиссии особых артиллерийских опытов при Главном артиллерийском управлении и в работе Научно-экспериментального института путей сообщения.

Стране Советов нужны самолеты, ив 1918 году в Москве организуется Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). Директором назначают Жуковского, который привлекает к работе Чаплыгина. Николай Егорович поручает ему руководить филиалом ЦАГИ в Кучино под Москвой. К сожалению, их сотрудничество в ЦАГИ продолжалось недолго. В 1921 году «отец русской авиации» умирает, и главным научным руководителем и председателем коллегии ЦАГИ становится Чаплыгин.

Здание Аэрогидродинамического института еще не закончено, и Сергей Алексеевич много времени проводит на стройке. Под его руководством создаются различные лаборатории для испытаний, конструкторское бюро и даже опытный завод, на котором можно было строить самолеты. Одновременно он ведет большую научную работу. В это время им написаны исследования: «К общей теории крыла моноплана» (1920), «Схематическая теория разрезного крыла» (1921), «О влиянии плоскопараллельного потока воздуха на движущееся в нем цилиндрическое крыло» (1926).

Еще в 1914 году Сергей Чаплыгин выполнил исследование «Теория решетчатого крыла», которое также на десятилетия опередило свое время. В нем Чаплыгин пришел к парадоксальному на первый взгляд выводу: крыло в виде жалюзи обладает большей подъемной силой и более устойчиво в полете, чем сплошное крыло такого же размера.

Это был существенный вклад в теорию крыла аэроплана. Кроме того, работа Чаплыгина имела также значение для теории гидравлических машин. Президент Академии наук СССР Мстислав Всеволодович Келдыш так оценивал ее:

«Теория решетчатого крыла», в которой заложены основы теории обтекания решеток циркуляционным потоком, является базой для расчета винтов, турбин и других гидравлических машин».

В работе «Схематическая теория разрезного крыла» (1921) Чаплыгин продолжает размышлять над проблемой составного крыла и указывает, как можно улучшить аэродинамические качества крыла, увеличить его подъемную силу. Если крыло в форме дуги окружности разрезать на две части и раздвинуть их надлежащим образом, то подъемная сила такого разрезного крыла будет больше.

В 1931 году Чаплыгин вместе со своим учеником Николаем Сергеевичем Аржаниковым написал работу «К теории открылка и закрылка», как бы завершающую эту тему. В чем была ценность этих работ? Чем меньше скорость самолета, тем легче ему совершить посадку, тем она безопаснее. Отсюда желание — летать с большой скоростью, а садиться с малой. Но небольшая скорость — это малая подъемная сила. При недостаточной же подъемной силе самолет может упасть на землю и разбиться. Следовательно, надо увеличивать скорость, чтобы самолет держался в воздухе- Получается замкнутый круг. Работы Чаплыгина помогли разорвать этот круг.

Крылья современных самолетов имеют предкрылки и закрылки. Выпуская их, летчик увеличивает подъемную силу на 20, 50 и более процентов, что позволяет ему садиться на полосу с меньшей скоростью.

Интересно, что эта работа делалась тогда, когда ни один самолет не имел составных крыльев. В них не было необходимости, так как посадочные скорости были невелики. С ростом скорости полета стала расти и посадочная скорость. Теперь все современные самолеты имеют крылья с управляемыми закрылками и щитками, которые позволяют, не уменьшая скорости полета, уменьшать посадочную скорость самолета. Сергей Алексеевич в своих трудах, как всегда, шел впереди современной ему техники.

Решетчатые крылья сегодня установлены на космическом корабле «Союз» (это элемент аварийного спасения кабины с космонавтами), на судах с подводными крыльями, на морских кораблях для стабилизации их во время качки. Теперь составные и решетчатые крылья — это обычный элемент многих транспортных систем.

Научная деятельность Сергея Чаплыгина выдвинула его на одно из первых мест среди ученых Советского Союза, и в 1926 году он был избран членом-корреспондентом Академии наук СССР, а 12 января 1929 года — академиком.

При избрании его в 1929 г. действительным членом Академии наук СССР академик А. Н. Крылов говорил о нём: «С.А. Чаплыгин по своему таланту как математик, по своим работам, создавшим новые важные методы для решения труднейших, но самою жизнью поставленных задач авиации, проявивший себя как организатор не только высшего учебного и учёного учреждения, но и величайшей в мире исследовательской лаборатории по аэро- и гидродинамике является именно таким кандидатом, которым наша Академия может гордиться».

Огромная административная работа, которую вел Чаплыгин как директор-начальник ЦАГИ, отнимала много сил, и в 1931 году ученый попросил освободить его от занимаемой должности по состоянию здоровья. Просьба была удовлетворена, но работу в ЦАГИ Чаплыгин продолжал до последних дней жизни. Он был начальником общетеоретической группы ЦАГИ, а с 1940 года возглавлял аэродинамическую лабораторию, которая теперь носит его имя. В любую погоду, несмотря на старческие недомогания, в положенное время он приходил в лабораторию, показывая своим молодым коллегам пример истинного служения науке. Сотрудники отмечали его справедливость, строгость и доброту.

В 1933 году Сергей Чаплыгин был награжден орденом Ленина, а в феврале 1941 года ему было присвоено высокое звание Героя Социалистического Труда.

Когда началась война, Сергею Алексеевичу предложили уехать из Москвы, но он отказался. В октябре 1941 года фронт близко подошел к столице. Было принято решение перебазировать ЦАГИ на восток. Вместе с институтом в Новосибирск уехал и Чаплыгин. На новом месте он возглавил работу по созданию филиала ЦАГИ. Каждый день на строительной площадке можно было видеть престарелого ученого, отдающего четкие и ясные распоряжения.

Сергей Чаплыгин умер в Новосибирске 8 октября 1942 года, не дожив до Победы, в которую свято верил и для которой самозабвенно трудился. Последние написанные им слова были: «Пока есть еще силы, надо бороться… надо работать».

Постулат Жуковского — Чаплыгина

Согласно теореме Жуковского подъёмная сила, действующая на единицу длины бесконечного (в направлении, перпендикулярном своей плоскости) крылового профиля в потоке идеальной жидкости, набегающей со скоростью , равна:

F = − ρu∞Γ, где Γ — циркуляция скорости вокруг профиля.

Однако циркуляция — фиктивная величина, рассматриваемая в гидродинамике идеальной жидкости, чтобы учесть несуществующие касательные напряжения, возникающие при обтекании в реальной жидкости. Различные циркуляции определяют разные режимы обтекания профиля, но в природе это однозначное явление. Поэтому для её определения приходится вводить дополнительные (не всегда физические соображения). Одним из таких является постулат Жуковского — Чаплыгина:

Из всех возможных обтеканий крыла с задней острой кромкой в природе реализуется только то, в котором скорость в заднем острие конечна.

При всех, кроме одного, значениях циркуляции скорости направление потока на острой кромке терпит разрыв, что не может быть с физической точки зрения. Поэтому постулат позволяет однозначно определить циркуляцию и, по теореме Жуковского, — подъёмную силу.

Примечание. Если скорость на задней кромке конечна при Γ = 0, то направление скорости называется направлением бесциркуляционного обтекания.

Память

Город Чаплыгин (до 1948 — Раненбург), город, центр Чаплыгинского района Липецкой области РСФСР. Расположен на реке Становая Ряса (бассейн Дона). Железнодорожный узел (Раненбург) линий на Богоявленск, Троекурово, Лев Толстой. Переименован в честь С. А. Чаплыгина,который родился в Раненбурге.

Улица Чаплыгина в ЦАО г. Москвы расположена в Басманном районе между Большим Харитоньевским переулком и улицей Покровка. Ранее называлась Машков пер. по домовладельцу XVIII в. дворцовому гоф-юнкеру Машкову. В 1942 году переименована в память об академике Сергее Александровиче Чаплыгине (1869—1942), жившем в доме № 1а этой улицы.

Кратер Чаплыгин — кратер на обратной стороне Луны. Кратер имеет сглаженный вал, террасу и обрушение, мощный внешний вал, много пиков и горок дне, цепочку, неровный характер дна, на дне нет лавы, не имеет лучевой системы, находится на материке. Координаты      -5.7, 150.35° ю. ш. 150° в. д. / 5.7° ю. ш. 150.3° в. д. Диаметр 125 км. SAI индекс – 144.

В Москве установлен бюст Чаплыгина (1960), а на территории ЦАГИ — памятник (1959). Его имя носят научно исследовательский институт авиации в Новосибирске, аэродинамическая лаборатория в ЦАГИ. В Москве действует мемориальный музей-квартира Чаплыгина.

В статье использованы материалы:

Самин Д. К. 100 великих ученых. — М.: Вече, 2000

Келдыш М.В. Сергей Алексеевич Чаплыгин. В книге: Чаплыгин С.А. Избранные труды по механике и математике. М., Гостехтеориздат, 1954