Физика в бою

Ракетно-ядерное оружие властно преобразовало тактику и стратегию, сделало бой скоротечным и в высшей степени маневренным. А на стремительные прорывы, глубокие обходы, многокилометровые марши способны только полностью механизированные войска. Значительно возрос вес армейских грузов, увеличились расстояния, на которые их надо перебрасывать. Все это вызвало к жизни очень серьезные научно-технические задачи, связанные с созданием всевозможной армейской боевой и транспортной техники, способной надежно осуществить в требуемые сроки доставку армейских грузов. Решение поставленных задач потребовало проведения соответствующих теоретических работ и, в первую очередь, изучения физических процессов, происходящих при движении тел в различных средах.

Реальные случаи движения — в том смысле этого термина, который был определен в начале статьи, — всегда связаны с преодолением сопротивления внешней среды. Летящий самолет преодолевает сопротивление воздуха; мчащийся торпедный катер — и воздуха, и воды; погруженная подводная лодка — сопротивление воды, а движущийся танк — сопротивление грунта. С другой стороны, внешняя среда необходима для движения, так как само движение может осуществляться только при взаимодействии движущегося тела с окружающей его средой. Следовательно, и тело, и окружающая его среда должны рассматриваться совместно, в их диалектических связях и взаимодействии, так как они составляют единую систему, характеризующуюся наличием известного количества движения.

Оставив в стороне некоторые неизбежно сопутствующие явления, можно утверждать, что, например, для движущегося самолета или корабля справедлив закон сохранения количества движения. Этот закон, так же как и законы сохранения энергии и момента количества движения— одна из конкретных форм проявления в природе общего закона сохранения движения, впервые сформулированного М. В. Ломоносовым. Напомним его: «Суммарное количество движения замкнутой системы тел (не взаимодействующей с другими телами) остается постоянным».

где m_i — массы тел, образующих систему;

v_i — скорость этих тел;

Р — вектор количества движения системы.

Из закона сохранения количества движения, в частности, следует, что, например, корабль массой m₁ плывущий со скоростью ^v₁, должен для осуществления своего движения перемещать массу воды m₂ со скоростью v₂. При этом должно соблюдаться равенство

m₁v₁ = m₂v₂.

Подобное равенство можно написать для любого движущегося тела, будь то самолет или ракета, танк или автомобиль, подводная лодка или железнодорожный состав.

В некоторых случаях можно отчетливо наблюдать перемещение внешней по отношению к движущемуся телу среды — это струя воды за винтом корабля или вихри воздуха за самолетом. Если же среда, с которой осуществляется взаимодействие, имеет достаточно большую массу, перемещение ее на глаз не заметно. Так, смещение железнодорожных рельсов происходит в основном в пределах упругих деформаций металла и только за длительный период проявляется в виде так называемого угона, измеряемого сантиметрами, а то и миллиметрами.

Итак, поскольку окружающая движущееся тело среда, с одной стороны, обеспечивает саму возможность передвижения, а с другой — оказывает сопротивление движению, решение задачи создания средств доставки армейских грузов должно начинаться именно с изучения свойств сред, в которых этот процесс происходит. Заметим, что такие разделы физики, как гидродинамика и аэродинамика, возникли и достигли нынешнего, столь высокого уровня развития именно в связи с необходимостью изучения свойств воды и воздуха при движении по ним кораблей и самолетов.

Однако вода и воздух, пожалуй, не самая сложная среда для движения. Свойства их достаточно однородны, сопротивления, оказываемые ими, зависят в основном от скорости движения и могут быть описаны сравнительно несложными математическими уравнениями. Поэтому и удалось отыскать совершенные гидро- и аэродинамические формы кораблей и самолетов, разработать достаточно эффективные конструкции их движителей — устройств для преобразования работы двигателя в работу, расходуемую на движение транспортных средств. Иными словами, высокая эффективность технических решений, примененных в конструкциях кораблей и самолетов, имеет своей первопричиной прежде всего однородность сред, в которых эти транспортные средства движутся. Всякое же изменение свойств среды, как показал опыт, требует соответствующей переработки конструкции. Например, изменения свойств взаимодействующего с самолетом потока воздуха при переходе к полетам со сверхзвуковыми скоростями привело к существенным переменам в конструкции самолета. Увеличение сопротивления воды при росте скорости движения кораблей оказалось настолько значительным, что пришлось прибегнуть к специальным конструкциям — подводным крыльям, позволившим судам вырваться из воды в среду с меньшим сопротивлением — в воздух. Следует напомнить, что и воздух, и вода, с точки зрения физического состояния вещества, — однофазные среды: воздух только газообразен, а вода только жидка.