Тайны моделей - Морозов А.И.

Author: Морозов А.И.
Tags: моделирование история техники конструирование
Year: 1955
Similar
Модели ракет
Железнодорожный транспорт в моделях и самоделках
Фронтовой истребитель Миг-29
Математические модели в естествознании и технике
Text
                    ТАЙНЫ
МОДЕЛЕЙ
JL МороЗоб
ТА Й H Ы
МОДЕЛЕЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО ЦК ВЛКСМ
„МОЛОДАЯ ГВАРДИЯ"
19 55

ЧТО ТАКОЕ МОДЕЛЬ
НЕДОСТАВАВШЕЕ ЗВЕНО
овое дело — всегда риск",—говори-
ли раньше, если даже речь шла
о нововведении, которому предше-
ствовал расчет.
Теперь у нас этим словам при-
дают другое значение. Не техниче-
ский риск, а техническая смелость
и твердая уверенность, основанная
на математических расчетах и опы-
тах, побуждают советских ученых
и инженеров смело итти в неизведанные области
науки и техники.
Математика — строгий контролер, дающий ответ
на сложнейшие вопросы, возникающие перед учеными
и инженерами. Но есть явления, не поддающиеся ма-
тематическому исследованию. Как быть тогда? Где
в таких случаях проходит граница между технической
смелостью, позволяющей инженеру сказать: «делайте
так!» — хотя он никогда еще не выполнял подобных ра-
бот, и тем, что называется действием «очертя голову»?
В цепи, объединяющей теорию и практику, есть зве-
но, особенно важное именно тогда, когда создаются
машины и сооружения, еще никогда не строившиеся.
Этим звеном служит моделирование.
Много поразительных подвигов совершено людьми
науки, самоотверженно решавшими новые задачи, сме-
ло прокладывавшими пути к вершинам знания. Науч-
3
ное предвидение — редчайший дар, которым обладали,
например, такие гении, как Ломоносов, Ньютон, Мен-
делеев. Роль научного моделирования в осуществлении
того, что вначале рисуется лишь в общих чертах, без
существеннейших деталей, — огромна.
Известно, какое множество удивительных моделей
разных тончайших приборов делал Петр Николае-
вич Лебедев — «человек, взвесивший свет», решая
труднейшую проблему — измерение светодавления.
Солнечный луч, освещающий эту страницу, давит
в сотни тысяч раз меньше, чем упавшая на нее пушин-
ка одуванчика. Но Лебедев построил своего рода мо-
дель весов и определил размеры светового давления.
Установкой для «взвешивания света», кроме Лебедева,
долгое время никто не мог пользоваться — такая тре-
бовалась тонкость в обращении с каждой деталью
«весов».
Есть много и других примеров героического труда
над моделями, помогавшими ученому достичь постав-
ленной цели. Августин Жан Френель осуществил,
можно сказать, без аппаратуры опыты, в свое время
поставившие науку о свете с головы на ноги. Тончай-
ший микрометр, требовавшийся для экспериментов,
Френель заменил моделью измерительного прибора,
сделанной из кусков картона и швейных ниток.
Это к таким ученым, как Ломоносов, Френель, Ле-
бедев, Столетов, относится замечание Франклина, что
настоящий физик должен пилить буравчиком и свер-
лить пилой, то-есть, пользуясь самыми неподходящи-
ми средствами, оказывающимися под руками, делать
чудеса.
Но для общего прогресса науки и техники все моде-
ли-уникумы, созданные талантливейшими экспери-
ментаторами, менее важны, чем разработка простого
метода моделирования, доступного любому ученому,
любому инженеру. Именно этот метод позволяет от
опытов в стенах лаборатории или на специальных пло-
щадках быстро переходить к сооружению настоящих
машин, плотин, кораблей, самолетов.
Изготовление моделей — древнейшее искусство, но
научное моделирование совсем молодо. О его роли
4
и его методах еще идут опоры между сторонниками раз-
ных направлений.
Модели сейчас встречаются повсюду, и назначение
их самое разнообразное.
В литейном деле изготовляют деревянные, гипсовые
и другие модели, при помощи которых получают формы
для отливок. Без таких моделей невозможно было бы
построить большую машину, детали которой отливают-
ся из расплавленного металла. Здесь требуется точное
соответствие всех размеров предмета и модели.
Особый вид моделей образуют модели-макеты. Они
помогают понять физическую сущность явлений, на-
глядно представить взаимодействие их. Классическим
примером может служить модель атома.
Разрушение атома для использования его неисчер-
паемых запасов энергии сделалось возможным только
после , долгих лет изучения крошечной частицы мате-
рии. И, несомненно, огромную роль в познании струк-
туры атома сыграла его модель.
Никто воочию не видел, как расположены мельчай-
шие частицы, входящие в состав атома. Но как набро-
сок на бумаге крепостных укреплений помогает
разгрому их с помощью осаждающей артиллерии, так
модель атома, соответствующая его физическим свой-
ствам, помогла найти путь к прорыву «обороны» ядра
атома.
Строение кристаллов, из которых состоят почти все
твердые тела, окружающие нас, успешно изучается
при помощи моделей-макетов. Расположением атомов
в кристалле определяются все его свойства. И алмаз
Динамическая модель из стальных шариков, показывающая
хаотическое расположение атомов в жидкости (1), в кри-
сталлах (2), (3).
5
и графит состоят из одного и того же чистого углеро-
да. Но алмаз тверд и прозрачен, а графит мягок и че-
рен. Различные свойства одного и того же элемента —
углерода — объясняются неодинаковым расположением
атомов в графите и алмазе. Поэтому очень важно знать,
как в том или другом кристалле уложены, «упакова-
ны», атомы. Модель строения кристалла как бы заме-
няет кристаллографам микроскоп, позволяя в громад-
ном увеличении видеть то, что никогда не удастся по-
казать самой совершенной оптике: расположение
в твердом теле его мельчайших частиц.
Перечисленными примерами мы далеко не исчерпа-
ли все случаи употребления моделей.
Кто в детстве и юности не делал моделей кораблей,
паровых котлов, электрических машин, зданий, самоле-
тов? Вначале это модели-игрушки. Но постепенно наи-
более способные юные создатели и исследователи мо-
делей превращаются в настоящих конструкторов и
занимаются уже не любительским, а научным моде-
лированием новых мощных машин, огромных зданий,
гидростанций, плотин.
МОЛОДОСТЬ ТВОРЧЕСТВА
Трудно и, пожалуй, нет нужды проводить границы,
точно отделяющие одни виды моделирования от дру-
гих. Когда именно юный моделист сделался настоящим
конструктором, пользующимся моделью точно так же,
или примерно так же, как инженер? Это не всегда мож-
но установить.
А. С. Попов еще в детстве делал великолепные мо-
дели различных машин. Ясно, что они прямо не были
связаны с его грозоотметчиком — первой действующей
моделью радиоприемника. Но детская и юношеская
страсть к механизмам, сделанным собственными рука-
ми, не раз выручала А. С. Попова в трудные моменты
творчества.
«Любите машинки!» — говорил своим ученикам
Н. Е. Жуковский. И именно тот, кто в юности отличался
любовью к «машинкам», особенно успешно, работал
потом над большими машинами.
6
Герой Социалистического Труда Александр Сергее-
вич Яковлев, прославленный авиаконструктор, с дет-
ских лет строил «самолеты» — сначала неуклюжих ба-
бочек из бумаги, потом все более остроумно задуман-
ные конструкции из картона, материи, дерева и метал-
ла. Может быть, еще тогда у него зарождались идеи,
пригодившиеся впоследствии в работе над машинами,
известными теперь каждому.
Инженер-кораблестроитель В. И. Вернитенко еще
мальчиком мечтал о морских просторах, о смелых мо-
реплавателях. Нет моря в Тернопольской области на
Украине, и Володя Вернитенко испытывал модели уди-
вительных судов в дождевых лужах и тихих маленьких
прудах. Теперь он строит настоящие большие корабли,
которым не страшны волны морей и океанов.
Ираклий Матикашвили начал «трудовую деятель-
ность» на Центральной станции юных техников Грузин-
ской ССР. В ассистенте Государственного Тбилисско-
го политехнического института имени С. М. Кирова
теперь тоже не узнать юного радиолюбителя, когда-то
спорившего с товарищами, куда включать концы кату-
шек самодельного приемника. Но не было бы детского
увлечения радиотехникой — не было бы и ценного при-
бора, изобретенного И. В. Матикашвили, — режимомет-
ра для испытания автомобилей, принятого промышлен-
ностью на серийное производство.
Имя И. Рышкова, ^ученика 10-го класса Хабаров-
ской средней школы, еще не связано с техническими до-
стижениями, с какими-нибудь изобретениями. Но он
замечательный моделист! Около метровой модели ли-
нейного корабля, сделанной Рышковым для одной из
выставок творчества пионеров и школьников, постоян-
но задерживались посетители.
У моделирования, несомненно, есть своя география.
Наши школьники и пионеры, строя модели, особенно
часто в своем творчестве отражают то, что они видят,
то, о чем постоянно говорят родственники, знакомые.
Не случайно в городе металлургов, Свердловске,
58 школьников сделали действующую модель прокат-
ного стана. Для модели изготовлено более 375 метал-
лических деталей, обработанных на разных станках.
7
Она поражает точ-
ностью работы, тща-
тельной отделкой всех
частей. Человек, нико-
гда не видевший про-
катного стана, будет
иметь полное представ-
ление о нем, осмотрев
модель.
Юные техники сол-
нечного Узбекистана
соорудили модель ге-
лиоустановки. Изящ-
ная метровая мачта из
металлической спирали
Модель прокатного стана.
укреплена несколькими
стальными прутьями и увенчана ажурной- башней,
с балконом для «персонала». Над башней — большое
вогнутое зеркало, собирающее солнечные лучи и на-
правляющее их на паровой котел. Пар из котла попа-
дает в турбину и заставляет вращаться ее ротор.
Зеркало сначала устанавливается так, чтобы котел
получал максимум тепла, а потом все время поворачи-
вается, как металлический подсолнечник, следуя за
движением солнца благодаря работе часового меха-
низма, вращающего «силовую установку».
В сельских местностях дети изготовляют модели
сельскохозяйственных машин, ферм. И нередко совер-
шенствуют хорошо знакомые им машины.
На выставке творчества пионеров и школьников,
проведенной в Политехническом музее в 1955 году, че-
ловек с загорелым, обветренным лицом, бегло осматри-
вавший многочисленные стенды, вдруг надолго оста-
навливается у раздела сельского хозяйства. Пренебре-
гая строгой надписью «руками не трогать», бережно
поднимает он жатку величиной с портсигар и внима-
тельно разглядывает ее.
В крошечной модели сельскохозяйственной машины
интересная деталь. Сделана она так остроумно, что
с ней не мешало бы ознакомиться строителям «боль-
ших машин», кое-что делающим по трафарету.
8
На городской станции юных техников далекого
Кыштыма Челябинской области юные физики восполь-
зовались описанием одного из возможных вариантов
атомной установки для мирных целей и сделали пре-
красную модель-макет. Вот пульт управления атомным
котлом. Он, как полагается, вынесен далеко в сторону
и защищен от вредных излучений толстой бетонной
стенкой. Нажимается одна из кнопок, и под графито-
вым блоком со стержнями из «урана» — сердцем кот-
ла — вспыхивает белый свет: это подан холодный
«газ», который сильно нагревается котлом, — свет де-
лается яркокрасным. Нагретый газ идет в теплообмен-
ник и отдает тепло трубам с водой. Перегретый пар
попадает в турбину, ротор которой вращает ротор
«мощного электрического генератора».
На пульте управления нажимается еще одна из
многочисленных кнопок. Энергия атомного распада
как будто создает за широкими чистыми стеклами стан-
ции красивый светлый город. Видны высокие здания,
просторные улицы, площадь, бульвары. Все это ма-
ленькие рисунки, макет,
сквозь окна «атомной
станции», они, как чу-
десный оптический при-
бор, увеличивают го-
род до грандиозных
размеров.
На модели все вы-
глядит так реально,
так заманчиво, что ру-
ка сама тянется к
главной кнопке пульта
управления котлом —
хочется пустить в ход
«атомную электростан-
цию».
Юные техники ока-
зывают очень серьез-
ную помощь учебе в
средней школе. Но не
только в этом цен-
но когда глядишь на них
Модель атомной станции.
9
ность их работ. Интереснейшие изобретения в разных
областях техники порою делаются на основании опы-
тов с простейшими моделями, выполненными не в спе-
циальных лабораториях, а на столе любителя. Поэто-
му нельзя сразу сказать, что модель не имеет научно-
го интереса только на основании того, что она созда-
на человеком, еще не овладевшим всеми тайнами
научного моделирования.
Можно привести в качестве примера любительское
радиомоделирование. При помощи любительских мо-
делей впервые была доказана ценность коротких радио-
волн для связи. Деятели «большой радиотехники»
раньше считали короткие волны «отбросами радио»,
с которыми не стоит возиться серьезным людям. Эти
волны отдали на растерзание любителям для опытов
с моделями. Крошечные коротковолновые установки
любителей стали прообразом радиостанций, голос ко-
торых носится над всей землей.
И теперь еще в домах прославленных ветеранов
радио, давших науке и технике новые методы построй-
ки сверхмощных коротковолновых радиостанций, мож-
но найти где-нибудь в заброшенном углу запыленные
маленькие коробочки с примитивными катушками, кон-
денсаторами и простейшими радиолампами.
Трудно во всем этом обнаружить хотя бы какие-
нибудь черты сходства с новейшей радиостанцией, но
рука хозяина до-ма никогда не поднимается на этот
«радиохлам», — ибо не будь его, не было бы и его «по-
томка», созданного по тому же «образу и подобию».
Возможности подлинно научного моделирования и
области, охватываемые им, поистине безграничны. Соз-
дание нового типа самолета, корабля, паровоза тре-
буют тщательных исследований их моделей.
Огромные электрические машины, дающие ток це-
лым городам, рождаются в лабораториях, и первое их
превращение из чертежей и расчетов в металл проис-
ходит при помощи моделей. Гидростанции, плотины,
каналы теперь строятся только после длительных ис-
пытаний маленьких сооружений, являющихся подобием
настоящих.
Методы, лежащие в основе теории моделирования,
все шире и шире применяются в химии. Процесс, со-
вершающийся в колбах лабораторий, порою становится
моделью для целого производства с его мощным завод-
ским оборудованием.
Биологическое моделирование уже позволяет созда-
вать модели болезней, находить пути к выведению осо-
бенно ценных пород животных, выносливых, дающих
ценнейшие продукты.
Модели, над которыми работают ученые и инжене-
ры, вообще служат для того, чтобы исследования в на-
туре заменить исследованиями аналогичных явлений
в лабораториях. Главное значение этих моделей заклю-
чается в том, что результаты опытов на дешевых, бы-
стро создаваемых моделях можно переносить на явле-
ния, которые должны в соответствующих условиях про-
ходить в натуре. ‘
ТРУДНЫМ ПУТЕМ
Есть не совсем правильное выражение «чистая ма-
тематика», оно было придумано, чтобы охарактеризо-
вать отделы математики, якобы очень далекие от обы-
денной жизни, от удовлетворения требований различ-
ных наук и техники. Выражение это неверно, потому
что достижения математики, которую некогда считали
«чистейшей», теперь оказались необходимыми для по-
стройки зданий, изготовления специальных станков,
машин, самолетов, автомобилей.
В отличие от этого никому не приходило в голову
называть «чистым» какой-либо раздел моделирования.
В любой отрасли оно всегда тесно связано с нуждами
одной из наук или какого-либо раздела техники. И раз-
вивалось моделирование особым образом. Чем слож-
нее делались машины, тем точнее нужно было строить
модели, тем больше секретов должны они были откры-
вать конструкторам и инженерам.
Одним из важнейших этапов в истории моделирова-
ния было стремление правильно изготовлять модели
морских кораблей. В это время фактически заложили
фундамент научного моделирования.
Появление самолета предъявило свои требования.
В попытках удовлетворить их, найти точный ответ
исследователи, занимавшиеся моделированием, откры-
ли новые методы проверки соответствия между мо-
делью и натурой.
Особым этапом является развитие «огневых ма-
шин» — всякого рода паровых котлов и двигателей
внутреннего сгорания.
Бурное развитие электротехники и радиотехники,
создание гидроузлов невиданных величин и мощно-
стей — все это тоже предъявило свой «счет» модели-
рованию. В значительной мере этот счет уже оплачен.
Поэтому, рассказывая об успехах научного моделиро-
вания, о его развитии, нельзя говорить просто о моде-
лях. Необходимо всюду указывать, чем именно вызвано
появление этой модели, этого метода моделирования,
каков был общий уровень техники и науки.
Никому не известно, когда люди начали строить
модели. Может быть, клюв хищной птицы, когти и
зубы диких животных послужили человеку еще в до-
исторические времена «моделями» его первых орудий
и оружия — острых камней, заточенных палок и т. д.
От более поздних эпох нам достались уже вполне точ-
ные указания на модели, применявшиеся и для мирных
и для военных целей. Об этом свидетельствуют и лите-
ратурные данные и находки археологов в глубоких
наслоениях над развалинами, вдруг открывающих ми-
ниатюрное сооружение из глины и камня, остатки воен-
ной машины размером с детскую игрушку, но, несом-
ненно, служившие не для невинной игры.
Строя мосты, дворцы, крепости, башни, водопрово-
ды, люди очень давно убедились, что хорошо сначала
создать маленькую модель будущего сооружения: это
избавляло строителей от многих неприятных неожидан-
ностей.
Рассматривая «дворец», легко умещавшийся на
небольшой площадке, архитектор воочию видел, как
будут выглядеть огромные здания, утопающие в пыш-
ной зелени садов. Военачальник, задумавшийся -над
«крепостью», которую можно было разбить ударом но-
ги, угадывал уязвимые пункты могучих стен, которые
должны были опоясать город. Модели помогали еги-
петским инженерам-строителям. Римляне, воздвигая
12
свои акведуки, уцелевшие до наших дней, сначала дол-
го работали над миниатюрными подобиями этих «воз-
душных» водопроводов.
Мастерски делали модели русские изобретатели
К. Д. Фролов, И. И. Ползунов, И. П. Кулибин, Е. А. и
М. Е. Черепановы и многие другие творцы техники,
создававшие новые машины и сооружения.
Долго «водяной мастер» Козьма Фролов выбирал
наилучший профиль для грандиозных по тем временам
земляных плотин. Много опытов на ручейках, ручьях,
реках провел этот гидротехник, пока нашел профиль
плотины, живущей уже около 200 лет. Очертания
Змеиногорской плотины, созданной К. Д. Фроловым,
мало отличаются от современных земляных плотин,
настолько они безукоризненны.
В историю техники навсегда вошла прекрасная мо-
дель Кремлевского дворца. Сама по себе представляю-
щая исключительное сооружение, эта модель была
выполнена великим зодчим В. И. Баженовым. Простая,
удобная для опытов, она давала возможность не толь-
ко наглядно показать в пространстве соотношение всех
деталей, но и произвести доступные в те времена испы-
тания, например на прочность.
Замечательный механик И. П. Кулибин в 1776 году
сделал проект одноарочного моста длиною в 300 мет-
ров через Неву. Чтобы проверить правильность расче-
тов, Кулибин выполнил точную модель моста длиною
около 30 метров. На модель положили груз весом почти
в 4 тысячи пудов, и она выдержала испытание.
Академик Эйлер, знаменитый математик, был в во-
сторге от модели. Его восхитило остроумное решение
механической задачи: определив нагрузку, выдержи-
ваемую моделью, Кулибин с полной уверенностью уста-
новил тяжесть, которую безопасно смог бы нести гран-
диозный мост невиданной тогда еще конструкции.
Еще до сооружения модели моста Кулибин сделал
ее «силовой скелет». Он натянул прочную веревку и
в определенных местах подвесил к ней грузики, заме-
нявшие силы, действующие на мост. Особенно сильное
провисание веревки то там, то здесь показало наиболее
опасные места.
13
Мост, построенный по проекту Кулибина, несомнен-
но, был бы одним из чудес техники конца XVIII столе-
тия. Но судьбу интереснейшего сооружения решила кос-
ность царских вельмож. Мост так и остался моделью,
выполненной в одну тридцатую величины натуры.
Моделирование в далеком прошлом основывалось
главным образом только на геометрическом сходстве
модели и настоящего сооружения. Знаменитый италь-
янский скульптор и гравер Бенвенуто Челлини
в своих «Записках» рассказывает о модели флорентий-
ского собора, которой пользовался архитектор Брунел-
лески, проектировавший собор. При этом моделиро-
вании принимались во внимание только геометрические
соотношения, а огромные различия между моделью и
оригиналом, связанные с применяемыми материалами,
не учитывались. Леонардо да Винчи и Галилей уже
много столетий назад поняли недостаточность такого
моделирования и его опасность. Об этом они писали
в своих классических трудах.
Модели, выполнявшиеся без проникновения в сущ-
ность науки моделирования, открывали только очень
грубые, явные ошибки строителей настоящих машин.
Иногда, впрочем, они не могли сделать и этого.
С точки зрения современной техники то-гдашние мо-
дели и методы их испытаний, если они производились,
были весьма примитивными. Но они приносили извест-
ный результат, даже когда настоящее сооружение вело
себя совсем не так, как модель. Это заставляло заду-
мываться: в чем же причина несоответствия поведения
модели и оригинала? Несоответствия, порою имевшего
роковые последствия. Научное моделирование тогда
только «выходило из пеленок», и многие специалисты
совершенно отвергали его как метод исследования и
испытания. Примером может служить история мосто-
вых ферм инженера Гау.
Бурное развитие железных дорог требовало соору-
жения длинных и весьма прочных мостов. Талантли-
вый американский инженер Гау разработал мостовую
ферму особой конструкции, и из этих ферм создава-
лись в середине прошлого века крупнейшие мосты
Америки. Фермы по всей длине делались одинаковы-
14
ми — вблизи опор и посередине пролета, где сооруже-
ние провисает под действием максимальной нагрузки.
Получалось нечто подобное деталям современных
игрушек «Конструктор» — собирай из одинаковых де-
талей любой мост: длинный, короткий, нагруженный
особенно сильным движением транспорта или всегда
почти безлюдный.
Быстрота и простота сооружения железнодорож-
ных мостов по методу Гау были весьма ценным вкла-
дом в создание мостов. Однако русский инженер
Д. И. Журавский сумел убедительнейшим образом
доказать, что мосты, сделанные из ферм Гау, не всегда
обеспечивают безопасность движения.
Журавский изготовил точные модели ферм Гау и
собрал из них «мост», в натуре представлявший собою
довольно значительное по величине сооружение. Осо-
бенностью этого моста-модели были соединения, скреп-
ляющие отдельные фермы. Гау в качестве таких соеди-
нений применял одинаковые болты, считая, что по всей
длине они, подобно остальным частям фермы, несут
совершенно одинаковые нагрузки благодаря особой
конструкции ферм. Доказать, что это не так, при воз-
можностях тогдашней техники было весьма трудно.
Д. И. Журавский вместо болтов связал ферму стру-
нами. Затем модель моста была нагружена, и струны
выдали «тайну» ферм Гау. Хотя все скрепления моста
были сделаны при помощи частей одной и той же стру-
ны, когда эти струны заставили колебаться, они изда-
вали звуки совершенно разных частот.
Струны растягивались силами различной величины,
и частоты звуков, издаваемых ими, были разными. Жа-
лобный высокий звук струн, натянутых до предела,
словно был призывом на помощь, сигналом бедствия:
«Здесь будет авария! Здесь опасное место».
Этот опыт самым убедительным образом доказал,
что фермы Гау по их длине подвергаются нагрузкам,
резко отличающимся друг от друга. Выручал огром-
ный запас прочности: в одних местах это был «мерт-
вый груз», в других — он спасал сооружение.
Благодаря усилиям таких людей, как Д. И. Журав-
ский, С. В. Кербедз, Н. А. Белелюбский и другие, на-
15
чальный период в истории моделирования в России
можно назвать героическим. Вопреки всем трудностям,
не имея достаточных теоретических основ, оно помога-
ло создавать сооружения, выделявшиеся технической
смелостью.
Более ста лет назад Журавскому поручили увенчать
огромным металлическим шпилем собор Петропавлов-
ской крепости. Нигде в мире еще не строились такие
пирамидальные шпили. Расчеты и опыты на моделях
дали возможность Журавскому не только создать ве-
личественный шпиль, являющийся изумительным про-
изведением строительного искусства, но и обогатить
науку и технику методами расчета двутавровых ба-
лок — костяка любого крупного сооружения: моста,
огромных башен для антенн радиостанций, заводов.
Журавский делал двутавровые балки из бумаги и
картона, из дерева и воска и, нагружая их в разных
местах миниатюрными грузами, обнаруживал опасные
точки. Особенно трудно было найти опасные узлы у це-
лого переплетения балок, образовывавших остов свода
здания или часть моста. Десятки и сотни опытов иногда
не приносили нужного результата, иногда давали раз-
норечивые ответы...
В своем кабинете у стола, тускло освещенного един-
ственной свечой, Журавский склонился над странным
сооружением, напоминающим гигантски увеличенный
кусок паутины паука-крестовика. С привычной лов-
костью пальцы инженера едва заметным для глаза
кусочком свинца нагружают одну из «нитей» «паути-
ны». Тотчас на стене комнаты, на белом листе картона,
расчерченном параллельными и перпендикулярными
линиями, дрогнул и пополз вниз круглый световой
зайчик. Это крошечная зеркальная чешуйка, прикре-
пленная к модели и отражающая направленный на нее
свет свечи, выдала перегрузку фермы, ее слабое место.
Неудача! Ферма, уже казавшаяся безукоризненной, не
годится...
Снова расчеты, снова меняется расположение при-
чудливых балок — и вот под утро пламя оплывшего
огарка свечи, отраженного зеркальцем-чешуйкой, уже
не шевелится на листе картона, даже когда модель
16
нагружается в десять раз более тяжелым грузом, чем
раньше.
Гаснет ненужный огарок, фитиль которого сдавли-
вают огрубевшие в постоянной работе пальцы Журав-
ского. При дневном жиденьком свете, льющемся через
окно, такой жалкой, такой слабой выглядит новая
ферма, но жить она будет века, ибо с ее помощью
решена труднейшая техническая задача.
Теории Журавского, разработанные им благодаря
удивительному проникновению в тайны моделей сквоз-
ных пирамидальных сооружений, помогают и теперь
строить мачты высоковольтных электропередач, журав-
линые «шеи» подъемных кранов, вздымающиеся над
многоэтажными домами.
Продолжателем трудных дел Журавского был по-
четный академик В. Г. Шухов, обогативший и развив-
ший его идеи. Ажурная башня высотою 150 метров,
созданная Шуховым, долго служила опорой для антен-
ны мощнейшей радиостанции СССР. Теперь эта баш-
ня, ставшая эмблемой советской радиотехники, под-
держивает антенны Московского телецентра.
Строители начала и середины прошлого века дела-
ли модели только для себя или для специалистов одно-
го с ними профиля. Инженеры, работавшие в других
областях техники, могли воспользоваться усовершен-
ствованиями в технике моделирования, достигнутыми,
например, Журавским, только в том случае, если они
сами были очень талантливыми людьми, способными
в деталях подмечать важнейшие общие черты.
Чтобы моделирование из искусства, доступного вы-
дающимся одиночкам, превратилось в науку, которой
может овладеть каждый, надо было открыть законы,
лежащие в ее основе. Отдельные законы, очень важные
для каждого исследователя моделей, стали достоянием
человечества давно. Но определить роль этих законов
во всей системе моделирования, научиться правильно
пользоваться ими, открыть новые законы было весьма
нелегким делом.
И только сравнительно недавно на основании успе-
хов науки созданы теории, без которых немыслимо
научное моделирование — получение в лабораториях
17
имитаций, действительно заменяющих опыты в натуре.
Эти теории указывают, какие явления эксперимента-
тор может считать одинаковыми и в модели и в натуре,
которой иногда еще и нет.
О ПОДОБИИ
Незадолго до смерти Ньютон сказал: «Не знаю, чем
я моту казаться миру, но сам себе я кажусь только
мальчиком, играющим на морском берегу, развлекаю-
щимся тем, что от поры до времени отыскиваю каме-
шек более цветистый, чем обыкновенно, или красную
раковину, в то время как великий океан истины рас-
стилается передо мною неисследованным...»
Второй закон механики, опубликованный в гениаль-
ном творении Ньютона «Начала», является одним из
таких чудесных «камешков». Ньютон первым указал,
что произведение огромной массы на очень небольшое
ускорение может быть равным произведению ничтож-
ной массы на очень большое ускорение. Разными могут
быть движения этих тел, разными могут быть и среды,
в которых они движутся, и сами скорости, а произведе-
ния массы на ускорение будут равными, и их можно
найти из опыта.
Для Ньютона, как писал С. И. Вавилов, вселенная
была лабораторией. Наблюдая за небесными телами,
Ньютон открывал законы природы, одинаково дей-
ствующие и в случае планет с огромными массами и
при изучении поведения маленьких шариков в лабора-
ториях. Всемирное тяготение открыто ученым после
долгих размышлений, расчетов, опытов.
Открытие этого закона связывается с наблюдением
Ньютона за падением яблока на землю. Ученый тут же,
в саду, где он отдыхал со своим другом Стекелеем,
сказал, что если одно тело — Земля — притягивает
другое тело — яблоко, — значит, оба тела должны дей-
ствовать друг на друга одинаково. Но сила, с которой
действует яблоко на Землю, ничего не может изменить
в окружающем, а силы притяжения Земли достаточно,
чтобы яблоко упало.
И если все тела, окружающие нас на Земле, падают
18
на нее, сделал заключение Ньютон, значит есть
сила, подобная силе тяжести на Земле и действующая
во всем мире.
Подобие существует в самой природе и не зависит
от воли человека. Но, изучив законы подобия, человек
может пользоваться ими. Простейшим случаем подобия
является геометрическое, — например, шары всегда
геометрически подобны друг другу, хотя диаметр одно-
го может равняться десяткам километров, а другого —
нескольким миллиметрам. Все дело заключается в уве-
личении соответствующих размеров.
В «Началах» Ньютона содержатся не только прин-
ципы механики, изложение проблемы всемирного тяго-
тения, астрономические задачи, объяснение морских
приливов. В них ученый говорит о колебаниях, волнах,
о движении тел в сопротивляющейся среде и о многих
других важнейших вопросах физики. Возможность
здесь определять условия подобия — вот что вооружа-
ло человека могучим методом исследований' природы.
Часто подобие явлений бросается в глаза, несмотря
на огромное различие в их силе, размерах. М. В. Ло-
моносов, наблюдая молнии во время грозы и электри-
ческие разряды в своей скромной лаборатории, пришел
к выводу, что и разрушительная страшная молния и
безобидная искра, проскакивающая между металличе-
скими шариками,—«родные сестры». В письме к пре-
зиденту Академии наук И. И. Шувалову М. В. Ломо-
носов писал:
Вертясь, Стекляный шар дает удары с блеском,
С громовым сходственным сверканием и треском.
Дивился сходству ум; но видя малость сил,
До лета прошлого сомнителен в том был...
Уверенность в том, что природа молнии и электри-
ческой лабораторной искры совершенно одинаковы,
помогла человечеству уже столетия назад найти защи-
ту от «небесной искры» — громоотвод. Долгое время
металлический прут, вздымавшийся над зданиями и
соединенный с землей, служил в грозу неплохим щи-
том, спасавшим жизнь и имущество людей. Но рост
электрических сетей телеграфа, телефона и линий пе-
2*
19
редач электроэнергии потребовал более совершенной
защиты. А ее нельзя было создавать, не проникнув го-
раздо глубже в физические явления, сопровождающие
атмосферные разряды. Способность человека подме-
чать сходные явления в природе и пользоваться ими,
несомненно, сыграла огромную роль во всем техниче-
ском и научном прогрессе.
Видя плавающих рыб и других животных, человек,
подражая их движениям, научился плавать. Манили
его и птицы. Но как будто легко достижимое сходство
крыльев птицы и искусственных крыльев первых авиа-
торов было обманчиво. Лишь планирующий полет,
которым пользуются птицы, не двигая крыльями, давно
стал достоянием и людей. Только недавно человек на-
учился делать первые воздушные машины с машущими
крыльями.
Кажущееся внешнее сходство различных физических
явлений, на котором человек строил свои надежды, бы-
ло причиной многих .неудач, катастроф, технических
заблуждений. Чем сложнее процесс, тем труднее уста-
навливать его сходство с другим явлением. Здесь уже
не помогают догадки, опыты. Необходимы методы точ-
ного анализа, вроде тех, к которым прибегает химик,
определяющий состав неизвестного вещества.
Чтобы результаты опыта можно было переносить
из лаборатории на производство, на строительство, на-
до твердо знать, что явления, рассматриваемые в науч-
ной лаборатории и происходящие в натуре, подобны.
В смысле термина слово «подобный» имеет особое
значение, отличающееся от обычного. ‘Наиболее про-
стым является геометрическое подобие, с которым уча-
щиеся средней школы знакомятся еще в младших клас-
сах: геометрические фигуры называются подобными,
если у них равны соответственные углы и отношения
всех соответствующих длин одинаковы. Зная это соот-
ношение — масштаб, можно, умножив на величину
масштаба размеры одной фигуры, получить другую.
Все шары независимо от материала, из которого
они изготовлены, геометрически подобны друг другу.
Чтобы из крошечного шара получить другой, в миллион
раз больший, надо только в соответствующее число
20
раз увеличить радиус малень-
кого шарика. Но можно ли
сказать, что деревянный шар
физически подобен железно-
му? Конечно, нет. Их физиче-
ские свойства разные.
Явления в деревянном и
железном шарах, помещенных,
например, вблизи сильного
магнита, будут совершенно
разными. По-разному на оба
таких геометрически подобных
шара действует и повышение
температуры.
С другой стороны, можно
взять два абсолютно одинако-
вых отрезка железной трубы и
пропускать через них одну и
ту же воду. Но через один
отрезок жидкость будет течь
Деревянный (1) и же-
лезный (2) шары гео-
метрически подобны. Фи-
зического подобия меж-
ду ними нет.
параллельными струями, а через другой — с завихре-
ниями, потому что перед этим отрезком в воду, напри-
мер, будет помещен быстро вращающийся винт, вроде
пароходного. Явления, происходящие в обеих трубах,
в этом случае никак нельзя назвать подобными.
Следовательно, чтобы физические явления были по-
добны, нужны еще дополнительные условия. Поиски
этих признаков подобия и помогли исследователям
стать на верный путь.
В истории кораблестроения
есть драматические страницы,
посвященные моделям, творцы
которых внешнее сходство
принимали за руководящее
указание и считали, что если
модель и натура имеют одина-
ковые формы, одинаковое уст-
ройство парусов, то этого уже
достаточно.
На рубеже, отделявшем па-
русный флот от парового, ко-
Различное движение во-
ды в одинаковых тру-
бах: ламинарное (1),
турбулентное (2).
21
рабл ©строители пытались создать необыкновенно
быстроходный корабль, чтобы на нем чаеторговцы и
золотоискатели могли мчаться через океаны, перебрасы-
вать в разные углы земли свои драгоценные грузы, опе-
режать конкурентов при захвате золотоносных участ-
ков в Америке и Австралии. Качество чая, легко вос-
принимающего все посторонние запахи, зависело от
того, сколько времени он пробыл в трюмах корабля.
Цены на золото резко колебались в зависимости от
открытия новых крупных месторождений, и поэтому
его быстрая доставка тоже являлась важной задачей.
Так родились знаменитые чайные и золотые клиперы.
Корабль, предназначенный для перевозки подобных
грузов, имел как можно более острый нос и корму,
корпус его сужали до предела, а паруса делали огром-
ных размеров. Никаких теоретических расчетов при
этом не производилось — не было ни времени, ни воз-
можностей, так как расчеты требовали решения чрез-
вычайно сложных математических задач. Все решали
с помощью моделирования, которое выполнялось в са-
мых секретных отделах компаний, строивших корабли.
Там изготовляли сразу множество моделей — их раз-
меры, форма, характер всей оснастки ограничивались
только фантазией строителей, а еще автор «Робинзона
Крузо» Дефо писал, что после моряков-путешествен-
ников людьми, наиболее склонными к фантазированию,
надо считать кораблестроителей.
Когда подбиралось достаточное количество моде-
лей, где-нибудь на безлюдном берегу устраивались
состязания карликовых судов. Круто накренившись,
мчались модели в открытое море, и кораблик, выры-
вавшийся вперед, делался прообразом будущего «со-
перника ветров».
Нередко подобная модель на всем ходу перевора-
чивалась вверх дном. Но это не смущало строителей:
скорость была главной целью. Чтобы домчаться до
новых россыпей золота или быстро доставить груз и
получить огромные доходы, рисковали всем — и людь-
ми и кораблями.
Жизнь морских скороходов—чайных и золотых кли-
перов, создававшихся по этим моделям, была коротка,
22
но несколько рейсов, которые они успевали совершить,
окупали расходы владельцев, получавших к тому же
немалые страховые суммы.
Как все новое, созданное в попытках ответить на
новые требования, клиперы имели, конечно, и поло-
жительное влияние на развитие судостроения. Некото-
рыми чертами корпусов парусных клиперов гораздо
позднее воспользовались строители быстроходных па-
ровых военных кораблей небольшого тоннажа.
Узкие и непомерно длинные клиперы иногда лома-
лись на волнах. При помощи моделей некоторые судо-
строительные компании разработали довольно удачную
систему добавочных креплений корпуса. Это было про-
делано в большой тайне. Но после естественной «смер-
ти» клиперов все секреты их конструкции сделались
достоянием кораблестроителей. На кладбищах кораб-
лей, где на мелководье или даже на суше догнивали
эти морские бродяги, любой человек сквозь дыры в об-
шивке мог рассматривать скелеты клиперов, и острый
взор судостроителя то там, то здесь поражало остро-
умное решение задачи, общей для многих типов ко-
раблей.
Модели судов далекого прошлого строились по
иным принципам, чем современные. И если они все же
помогли создать корабли, являвшиеся некоторым до-
стижением тогдашнего судостроения, то это объясняет-
ся талантом отдельных кораблестроителей.
Только обратившись к истокам науки о подобии,
Бертран в середине прошлого столетия развил учение
о механическом подобии до такой степени, что им уже
можно было пользоваться при исследовании моделей
кораблей. В 1870 году Фруд построил опытовый бас-
сейн, где плавали и тонули модели кораблей.
ПОКОРЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА
КОРАБЛИ В БАССЕЙНЕ
корабль —
оснащенное
приборов,
Моделирование в кораблестроении по-
лучило особое развитие, когда им
серьезно занялись строители воен-
ных кораблей. Военный
дорогое сооружение,
множеством новейших
°РУдий, механизмов.
Чтобы все эти огромные цен-
ности не оказались вложенными
~	‘ в какой-нибудь «пловучий гроб»,
инженеры-кораблестроители проводили испытания мо-
делей судов.
В 1870 году в Англии был построен военный корабль
«Кэптэн». В английском адмиралтействе им были весь-
ма довольны, хотя «Кэптэн» имел слишком низкие
борта, чрезвычайно толстую броню и громадные же-
лезные мачты. Это стальное чудовище выглядело так
необычно, что известный английский кораблестроитель
Рид изготовил модель «Кэптэна» и проверил, как но-
вый корабль будет вести себя во время волнения.
Результат опытов был плачевным. Рид немедленно
сообщил адмиралтейству, что посылать в море матро-
сов на «Кэптэне» преступление. Заявление инженера
было осмеяно. Адмиралы вынесли решение: «Кэп-
тэн» — отличный корабль и должен плавать без всяких
переделок. А 7 сентября 1870 года «Кэптэн» в сравни-
тельно тихую погоду опрокинулся вверх дном у мыса
Финистерре. Из 550 человек команды случайно уце-
24
лели 17 человек в баркасе, сорвавшемся с борта гибну-
щего броненосца. В память этого события в Лондоне
установлена бронзовая доска с «вечным порицанием
невежественному упрямству лордов адмиралтейства»,
из-за которого погибли 533 моряка «Кэптэна».
Английские кораблестроители Фруд и Рид много
сделали для того, чтобы моделирование кораблей ста-
ло на научную основу. Важных результатов в этом на-
правлении добились русские ученые и кораблестроите-
ли С. О. Макаров и А. Н. Крылов.
Опыты с моделями помогли выдающимся деятелям
науки создать всемирно известную теорию непотопляе-
мости корабля. Этой теории обязаны спасением тысячи
людей, вверявших и вверяющих морю свою судьбу.
К концу XIX века кораблестроителями повсюду
создавались особые бассейны для опытов с моделями
Гибель «Кэптэна» неизбежна.
25
кораблей — так называемые опытовые бассейны. Эти
«искусственные моря» строились по-разному. В одних
главным считалось создание штормов, чтобы исследо-
вать, как будет вести себя корабль на волнах. В других
стремились изучить быстроходность судна, и тут дела-
лись бассейны подлинней, в третьих, готовясь к мор-
ским боям, изучали маневренность флота и строили
круглые и квадратные обширные резервуары, напоми-
навшие обыкновенные бассейны, украшающие парки.
Был создан опытовый бассейн и в России. Его исто-
рия представляет значительный интерес.
У морского министерства в 1891 году осталась не-
использованной большая сумма денег — 1 500 тысяч
рублей. Адмирал С. О. Макаров рекомендовал занять-
ся опытами по получению бездымного пороха, в кото-
ром русский флот испытывал большую нужду. Вопрос
поручили изучить великому русскому химику
Д. И. Менделееву.
Ученый блестяще справился с задачей, израсходовав
только 500 тысяч рублей. Во время работы над созда-
нием бездымного пороха Д. И. Менделеев близко по-
знакомился с морскими орудиями, с самими корабля-
ми. Он хорошо представлял себе трудности, которые
стоят на пути кораблестроителей, и правильно оценил
роль моделирования, помогающего решать сложней-
шие задачи при постройке новых кораблей. Поэтому
Д. И. Менделеев настойчиво советовал оставшийся
миллион рублей израсходовать на сооружение боль-
шого бассейна, в котором можно было бы испытывать
любые модели судов.
Управляющий морским министерством прислу-
шался к совету великого ученого. Опытовый бассейн
начали строить и закончили его в 1894 году. Это было
весьма совершенное по тем временам сооружение. По-
середине узкого зала тянулся бетонный канал длиною
120 метров, шириною 6,7 метра и глубиною 3 метра.
Опираясь на берега канала, над водою бассейна сколь-
зила большая тележка. Ее тащил трос, наматывав-
шийся на лебедку.
Тележка с равномерной скоростью увлекала моде-
ли судов, соединенные с нею через динамометр. Таким
26
Опытовый бассейн.
образом определялась сила сопротивления воды, дей-
ствующая на движущееся судно.
Несложное на первый взгляд исследование модели
позволяет найти наилучшие обводы будущего кораб-
ля, установить мощность машин, которые необходимы,
чтобы судно развивало требуемую скорость.
Выяснение этих вопросов — дело очень кропотли-
вое. Нужно построить множество различных моделей.
Поэтому способ их изготовления должен быть быст-
рым, дешевым и простым.
А. Н. Крылов получил опытовый бассейн в свое рас-
поряжение в 1900 году, то-есть через шесть лет после
постройки. Ученый быстро наладил всю работу в нем
по-новому.
Еще в 1893 году броненосец «Виктория», флагман-
ский корабль английского флота, после столкновения
с другим военным кораблем при абсолютном штиле по-
шел на дно вместе с командой. Катастрофа потрясла
многих. Возникли жаркие споры о том, стоит ли вооб-
27
ще строить большие броненосные военные суда, кото-
рые постоянно грозят превратиться в гигантскую брат-
скую могилу всей команды.
Адмирал С. О. Макаров приказал построить модель
«Виктории» в 748 натуральной величины и разделить
ее переборками. Поперечные переборки образовывали
главные отсеки. В главных же отсеках помещались еще
цинковые ящики, закрывавшиеся пробками. Когда мо-
дель получала то или другое повреждение ниже ватер-
линии, в соответствующем цинковом ящике вынима-
лась пробка, модель кренилась точно так же, как
настоящий корабль, пробитый снарядом, взрывом ми-
ны, торпеды, другим кораблем и т. д.
На модели «Виктории» Макаров подробнейшим
образом исследовал влияние различных повреждений.
В результате своей работы адмирал установил, что
многие аварии, влекущие гибель броненосцев, в дей-
ствительности далеко не всегда «смертельны»: надо
только уметь бороться с потерей пловучести судна. Так
возникла идея о живучести тяжко пострадавшего в бою
или во время катастрофы военного судна. В русском
флоте был крупный военный корабль — броненосец
«Петропавловск». Адмирал Макаров попросил Крыло-
ва сделать модель этого корабля и произвести ряд опы-
тов для выяснения, может ли с «Петропавловском»
случиться то же, что с английским военным кораблем
«Викторией».
Крылов исполнил просьбу С. О. Макарова. Поль-
зуясь моделью «Петропавловска», он выяснил, при
каких условиях этот броненосец может опрокинуться
и что необходимо делать, если с подводной частью ко-
рабля произойдет та или другая авария.
С. О. Макаров хотел даже показать в зале Морской
библиотеки в Петербурге, на лекции о непотопляемости
судов, как может опрокинуться модель броненосца
«Петропавловск» при затоплении части отсеков кораб-
ля. Но это не удалось осуществить, потому что в зале
библиотеки надо было создать целый бассейн, напол-
ненный водой.
Труды двух замечательных ученых были закончены
к началу тяжелого испытания русского военного фло-
23
та — русско-японской войны. Только из-за косности
высшего начальства морского министерства меры для
увеличения остойчивости кораблей в русском флоте
не были приняты.
Адмирал Макаров трагически погиб в 1904 году на
флагманском судне «Петропавловск», на том самом
корабле, модель которого А. Н. Крылов испытывал
в опытовом бассейне.
«Петропавловск», наскочив на японскую мину,
опрокинулся, как и предсказывали исследования его
модели.
Через неделю, 7 апреля 1904 года, А. Н. Крылов на
совместном заседании членов морского министерства
выступил с необычайно резкой критикой действий лю-
дей, отвечавших за строительство русского флота. Вы-
сокое начальство не поддержало А. Н. Крылова, но
передовые моряки и кораблестроители все шире и шире
стали пользоваться крыловскими таблицами, «показы-
вающими влияние затоплений отделений на крен, диф-
ферент и остойчивость корабля и общих мер к обеспе-
чению непотопляемости судов при повреждениях».
До работ С. О. Макарова и А. Н. Крылова, посвя-
щенных борьбе' за жизнь поврежденного корабля,
моряки своей основной задачей считали удаление воды,
прорвавшейся в судно. Насколько это было осуществи-
мо, можно судить по такому примеру. Через отверстие
ниже ватерлинии на 5 метров за один час поступает
до 2 тысяч тонн воды, даже если отверстие имеет пло-
щадь всего в 0,1 квадратного метра. Нет корабельных
насосов, могущих справиться с таким потоком воды!
Ученые предложили не уменьшать количество во-
ды, проникнувшей в корабль, а, наоборот, увеличивать
его, чтобы корабль сел еще ниже, но зато принял пра-
вильное положение, при котором возможно его движе-
ние вперед. Для этого корабль разбивается на водо-
непроницаемые отсеки, и если затоплению подвергся
отсек с правой стороны, то искусственно следует не-
медленно затопить отсек с левой стороны.
В опытовом бассейне А. Н. Крылов провел бесчис-
ленное количество экспериментов с «повреждением»
моделей кораблей различных типов. Аварии, происхо-
29
дившие с моделями, изученные и систематизированные
А. Н. Крыловым, открыли пути спасения для множе-
ства судов. Постепенно таблицы непотопляемости сде-
лались необходимейшим справочником механиков ко-
раблей, плававших под флагами всех государств, по
всем морям и океанам.
Адмирал Макаров хотел предупредить и трагиче-
ские случаи, подобные катастрофе, происшедшей
с «Викторией», которая столкнулась с другим кораб-
лем. Он снабжал модели военных судов особыми «на-
мордниками», надевавшимися на самую опасную часть
корабля — далеко выступающий подводный таран.
Ученый выполнил много моделей подобных «намордни-
ков» и во время опытов показал, что удар с «наморд-
ником» в борт другого корабля вызывает только
вмятину, а без «намордника» — большую пробоину, че-
рез которую врываются потоки воды
Однако Крылов доказал, что в данном случае по-
добие между моделью и натурой почти недостижимо
из-за громадного различия между моделью и натурой
в жесткости, упругости и крепости как самого «на-
мордника», так и корпуса судна. Поэтому исследования
моделей «намордников» в опытовом бассейне
А. Н. Крылов считал недостаточно убедительными для
того, чтобы ввести эти приспособления как практиче-
скую меру, предупреждающую гибель военных судов
в мирное время — при маневрах, на океанских ба-
зах или в других условиях.
С особым вниманием Крылов выполнил одно из
заданий, полученных им от адмирала Макарова. Ма-
каров, прекрасно делавший сам модели и разработав-
ший особую систему изготовления морских судов,
попросил Крылова на модели мощнейшего по тому
времени ледокола «Ермак» определить угол диффе-
рента, то-есть разницу осадки между носом и кормой.
У ледокола, который взбирается на лед и ломает его
своею тяжестью, угол дифферента играет очень боль-
шую роль.
Крылов точно установил величину вертикальной
силы, которая действует на форштевень (брус в пе-
редней части корабля), когда ледокол движется во
30
льдах. Захватывая мо-
дель «Ермака» пружинны-
ми весами за середину
форштевня, Крылов соста-
вил таблицу, в которой
показывалось, ка^ угол
дифферента зависит от
действующей на модель
вертикальной силы.
Этими испытаниями
маленькой модели Кры-
лов и адмирал Макаров
остались очень довольны,
потому что лабораторные
исследования удивительно точно подтвердили теорети-
ческие расчеты: дифферент корабля определяется по
особым формулам и может быть установлен, когда
еще имеется только проект корабля. В данном случае
ледокол «Ермак» уже существовал. Ему предстояла
тяжелейшая работа во льдах Севера. Например, ледо-
кол должен был с разбегу взбираться на ледяные глы-
бы, торосы и пробивать себе путь среди них. Когда
«Ермак» в феврале 1900 года вышел на помощь бро-
неносцу «Генерал-адмирал Апраксин», Крылов сам
отправился на ледоколе и убедился, насколько иссле-
дования модели соответствовали данным настоящего
корабля.
Натурные испытания кораблей и исследования их
моделей постоянно наталкивали Крылова на создание
множества приборов. Они сначала проверялись на мо-
делях, а потом становились незаменимыми помощни-
ками штурманов, орудийной прислуги.
Вибрации представляют собою чрезвычайно вред-
ное явление на кораблях. Они вызываются работой
мощных машин, вращением гребных валов, движением
корабельных винтов в воде. Вследствие вибрации все
на судне в той или другой мере трясется, и эта тряска
весьма гибельно сказывается на слабых местах корпу-
са и других частях. В 1890 году на одном английском
пароходе в Атлантическом океане от вибраций в куски
разлетелся судовой двигатель мощностью в 9 тысяч
31
лошадиных сил. Только
случайность спасла мно-
гочисленных пассажиров
этого судна и команду от
гибели.
А. Н. Крылов на осно-
вании исследования мно-
гих моделей судов, у ко-
торых он искусственно
создавал вибрацию, по-
строил очень остроумный
прибор для точных изме-
рений колебаний, возни-
кающих на любых кораб-
лях.
«Сердцем» прибора
был свинцовый груз, под-
вешенный на резиновых
жгутах. Придя в колеба-
тельное движение, груз
заставлял двигаться ко-
Установка для изучения вибра-
ции на корабле.
ленчатый вал, соединенный с пишущим механизмом.
Таким образом, на специальном барабане получалась
запись колебаний судна в течение любого времени.
Чтобы приучить матросов хорошо стрелять из
артиллерийских орудий во время качки корабля, Кры-
лов сконструировал модель, позволяющую правильно
наводить прицел на качающуюся на волнах мишень.
Модель была настолько совершенная, что работа с нею
у матросов-новобранцев, не привыкших к морю, вы-
зывала порою приступы морокой болезни, как на ходу
настоящего корабля, бросаемого волнами.
Годы работы А. Н. Крылова в опытовом бассейне
были периодом сурового испытания для русского фло-
та. На морях появились новые военные корабли —
дредноуты, пловучие крепости. Уже проходили испыта-
ния подводные лодки, жизнь которых нередко была
очень коротка из-за несовершенства конструкции.
Крылов отдавал много сил созданию кораблей,
равных которым не имело бы ни одно государство
мира.
32
В опытовом бассейне под его руководством изуча-
лись модели первых русских линейных кораблей. Их
скорость должна была достичь очень большой для того
времени цифры — 213/4 узла. А это требовало новых
очертаний судов, нового распределения груза. Два-
дцать одну модель забраковал Крылов, и только два-
дцать вторая удовлетворила ученого.
А. Н. Крылов удивительно гармонично сочетал ис-
пытания судов в опытовом бассейне с проверкой море-
ходных качеств судов в открытом море. Это позволяло
точно устанавливать степень соответствия друг другу
испытаний модели и настоящего корабля.
Натурные испытания проводились у мыса Инонеми
на финляндском побережье. Здесь было обмерено по
побережью расстояние в одну морскую милю, что быст-
ро позволяло производить различные расчеты.
В начале нашего века па Черном море корабле-
строители сдавали приемной комиссии шесть новых
однотипных миноносцев. Несмотря на все усилия
команды, миноносцы не могли развить скорость
в 30 узлов, требовавшуюся по техническим условиям.
Никто не понимал, в чем дело, где надо искать таин-
ственные узлы, которых недоставало новым мино-
носцам.
Обратились за помощью к А. Н. Крылову. Ученый
немедленно прибыл на место испытаний.
Все полагали, что причина недостатка в скорости
скрывается в каком-то просчете строителей, в плохом
топливе, в низком качестве машин, в чьем-то злом
умысле. Крылов, как ни странно, искал потерю скоро-
сти за бортом миноносца. И вот почему.
В 1898 году инженер Митчел опубликовал труд,
в котором рассматривал теорию волн, тормозя-
щих движение корабля. Крылов попробовал приложить
эту теорию для испытания моделей судов, но быстро
убедился в ее непригодности. Митчел считал воду
идеальной жидкостью, не обладающей вязкостью, не
сжимаемой.- И тем и другим овойствами воды при
испытании судов пренебречь нельзя было, поэтому вы-
сказывания Митчела справедливо не нашли примене-
ния в практике судостроения.
3 Тайны моделей
33
Но, работая в опытовом бассейне, А. Н. Крылов сам
убедился, что модели кораблей могут двигаться с ма-
ксимальной скоростью лишь на определенной глубине.
На недостаточно глубоких местах возникают волны,
тормозящие движение. Начав исследование этого явле-
ния в опытовом бассейне, Крылов не смог его закончить
из-за другой работы и предложил, пользуясь его моде-
лями, широко изучить влияние глубины на скорость
движения судна при испытаниях нового быстроходного
крейсера «Кагул».
Тогда опытовым бассейном заведовал известный
кораблестроитель профессор И. Г. Бубнов. По указа-
нию Крылова Бубнов произвел ряд исследований мо-
делей, а потом разработал методику испытания крей-
сера «Кагул».
Стоя на палубе мчавшегося вперед миноносца,
Крылов вспоминал «Кагул», модели в опытовом бас-
сейне. «Вот где разгадка!» Ученый дал указание дер-
жать на более глубокое место — «мористее», как гово-
рят моряки.
На глубоком месте с миноносца словно сняли неви-
димые оковы — он рванулся вдаль и развил требу-
емую скорость. С тех пор стало хорошо известно, что
при движении корабля на мелкой воде появляются
тормозящие волны: бурун у носа и целая система волн,
бегущих за кормой. На очень мелкой воде быстроход-
ное мощное судно может развести волну, высота ко-
торой будет равна глубине моря в этом месте.
Открытие тайны тормозящего буруна только одно
из многих звеньев в цепи работ Крылова, с помощью
моделей изучавшего сопротивление воды движению
в ней самых, различных тел.
В те времена каждый корабельный винт не рассчи-
тывали, а брали, полагаясь на опыт. Крылова подоб-
ная система не удовлетворяла, и он начал многолетние
исследования корабельных винтов. Для этого Крылов
соорудил особую аэродинамическую трубу, в которой
искусственно создавался поток воздуха, позволявший
судить о качестве винтов.
Наблюдения за работой моделей винтов позволили
ученому установить важное правило. Работа «водяного
34
пропеллера» тратится как на движение судна, так и на
то, чтобы с известной скоростью отбрасывать назад
воду. В каком же случае эта работа будет наимень-
шей? Если корабль отбросит назад очень большое ко-
личество воды, сообщив ей малую скорость, ответили
опыты с моделями.
Один из крейсеров строители снабдили винтом не-
больших размеров, думая, что таким образом он полу-
чит хороший ход. На деле же оказалось, как предска-
зывал Крылов, обратное: ход был совсем неэкономи-
чен, так как корабль отбрасывал слишком незначитель-
ную струю.
Сейчас находят широкое применение водометные
суда. Они не имеют винтов, а движутся силой реакции
отбрасываемой назад струи. Крылов утверждал, что
подобные суда оправдают себя лишь в том случае, если
сечение струи будет большим. Принцип движения с по-
мощью корабельного винта или струи, в сущности, один
и тот же: движение создается реакцией отбрасывае-
мой назад массы воды, благодаря которой корабль
движется вперед.
Моделирование реактивных судов началось давно.
Простейшей моделью в данном случае является игруш-
ка, в которой использована реакция не струй воды ре-
ки, а струй пара, вытекающего из любого резервуара,
помещенного на крошечном кораблике.
Яичная скорлупа, из которой осторожно, через ма-
ленькое отверстие, удалено содержимое яйца, может
служить «котлом» модели такого судна. В качестве
источника пара пользуются водой, налитой в скорлу-
пу. «Котел» подогревается пламенем, вырывающимся
из «топки» — наперстка с ваткой, смоченной спиртом.
Силовая установка быстро движет пароходик из бума-
ги или легкой пластмассы, так как струя пара, уходя-
щая через отверстие в скорлупе, давит и на противо-
положную целую стенку котла.
Более сложные модели пришлось делать для созда-
ния водяной струи, заменяющей винт.
Первоначально пользовались движителями, пред-
ставлявшими собою целый агрегат. Корабли, построен-
ные по этим моделям, получились дорогими, невыгод-
3*
35
ными в эксплуатации. В истории кораблестроения они
оставили след, только как любопытные попытки при-
менить на морском и речном транспорте совершенно
новый вид двигателей.
Модели всегда помогают открывать пороки кон-
струирования. Модель должна быть простой, иначе
она теряет главное достоинство — возможность иссле-
довать сущность изучаемого процесса. Изобретатель,
как правило, стремится сделать модель простой, лишь
потом внося в конструкцию усложнения. И модель
вдруг показывает нежданное: дальнейшие «усовершен-
ствования» будут только ухудшать работу машины,
сооружения, корабля.
Так случилось и с водометным судном. Простейшего
типа насосы, сквозь специальные отверстия на корме
выбрасывающие струи воды, сделались, наконец, вер-
ным, надежным двигателем водометного судна. Мало
того. Опыты на моделях показали выгодность располо-
жения «водометов» над поверхностью воды. Тогда вы-
брасываемая жидкость не встречает сопротивления
речной воды, что совсем не нужно для реактивного
двигателя, который может двигаться и в «абсолютной
пустоте». Устройство «водометов» над водой позволило
уменьшить мощность двигателей, меньше расходовать
энергии, пользуясь даже аккумуляторами.
Водометные катера уже нашли применение на мно-
гих реках, где, по выражению одного из кораблестрои-
телей, даже утки предпочитают ходить пешком по дну.
Выдающимися работами А. Н. Крылова и адмира-
ла С. О. Макарова начался новый этап в моделирова-
нии. Неудачи, сопровождавшие примитивный перенос
результатов опытов на моделях на большие сооруже-
ния, вызвали у некоторых инженеров разочарование
в этом методе. Они говорили: «Между столом ученого,
инженера-конструктора, изобретателя и заводом есть
только один мост — бумажный, с расчетами и черте'
жами».
Работы Крылова открыли, что виноваты не модели,
а люди, делавшие их, производившие на них испыта-
ния. В ряде случаев А. Н. Крылов доказал, что, только
по-новому оценив наследство прошлого, пересмотрев
36
$го и создав новую
теорию моделирования,
можно двигаться даль-
ше.
Опытовый бассейн
когда-то был в России
центром испытания мо-
делей кораблей. С тех
пор В нашей	стране	Катер-водомет	скользит	по брев-
создано много	новых	нам.
бассейнов для	иссле-
дования моделей. Усовершенствовались и упростились
методы испытаний. Ученые развили и углубили теоре-
тическую сторону вопроса. Появились новые суда,
требовавшие и новых способов исследований, — глис-
серы, быстроходные катера, реактивные суда.
Порою на реке или у берегов моря можно увидеть,
как за мчащимся катером тянется маленькая модель,
буксируемая тросом через измерительные приборы.
Советские ученые доказали, что подобный метод иссле-
дования ходовых качеств моделей разных кораблей
имеет существенные преимущества по сравнению с «ка-
мерным», лабораторным.
Интересные научно-исследовательские работы, свя-
занные с моделированием кораблей, производятся
в Горьковском институте инженеров водного транспор-
та. Здесь в 1953 году начал действовать новый бассейн
для испытания моделей кораблей.
В отличие от старого крыловского бассейна, где
тележка со связанными с нею моделями катилась со
скоростью от 0,75 до 3,75 метра в секунду, в горьков-
ском бассейне идут настоящие «скоростные» испытания
моделей судов, главным образом предназначенных для
«Большой Волги». Стоит нажать кнопку на пульте, и
модель электрохода в несколько секунд/ почти неуло-
вимо для человеческого глаза, промчится по водному
пути длиною около 30 метров. Только автоматическим
приборам под силу уследить за всеми этапами движе-
ния модели электрохода. При этом наиважнейшую
роль играют два прибора. Один из них представляет
собою вращающийся барабан, на котором через каж-
37
дую четверть секунды наносится отметка, — это путь
«корабля» на воде, свернутый в спираль на барабане
прибора.
По расстоянию между отметками можно легко
определить скорость судна-модели в каждую четверть
секунды. О такой точности во времена опытового бас-
сейна, которым Крылов руководил более сорока лет
назад, трудно было думать.
Другой прибор Горьковского бассейна позволяет
очень точно определять сопротивление, которое испы-
тывает корпус судна. Здесь точность измерения силы
сопротивления достигает одного грамма. Эти измере-
ния ведутся для того, чтобы корабли, которые будут
плавать по морям, образовавшимся благодаря соору-
жению грандиозных плотин, максимально соответство-
вали условиям плавания в новых водоемах.
Судостроители решают весьма нелегкую задачу.
Раньше строились морские суда для моря, речные для
рек. Заходили, конечно, морские суда в Волгу и Дон
и, наоборот, речные в моря. Но их передвижение со-
провождалось разными сюрпризами, а порою было
и просто опасным.
Новые суда представляют собою «гибрид» морского
и речного судна. У некоторых из них повышенная осад-
ка, они обладают гораздо большей скоростью, их ма-
шины мощнее.
Усложненные условия плавания — возможность
штормов, приближающихся к морским, дальность рей-
сов — требуют особой заботы о корпусе корабля, о соз-
дании в нем более поместительных грузовых трюмов,
обеспечения удобств пассажиров и команды. Надо и
значительно облегчить труд команды, автоматизировать
процессы судовождения, погрузки.
«Моря» на Волге, в которых течение значительно
медленнее, чем в реке, замерзают раньше других ее
мест. Значит, нужно много специальных ледоколов, для
того чтобы можно было проводить навигацию по Волге
и Дону. Этим ледоколам приходится работать в тяже-
лых условиях.
В современном флоте большое значение играют
глиссирующие суда — скользящие по поверхности во-
зе
ды. Сюда относятся в первую очередь катера. Кон-
структоры их сталкиваются со многими сложными об-
стоятельствами.
Сама природа сил, поддерживающих на поверхно-
сти жидкости глиссирующее тело, резко отличается от
природы силы, поддерживающей плавающий предмет.
Поверхность смачивания у глиссирующих тел совсем
невелика — они буквально «вылазят» из воды. Поэтому
глиссирующим катерам и придается плоскодонная
форма, лучше всего способствующая приему больших
сил, действующих на глиссирующее судно в верти-
кальном направлении.
Чтобы уменьшить сопротивление воды, а следова-
тельно, увеличить скорость, глиссирующее судно имеет
острые скулы и редан. Благодаря этому струи воды
срываются с поверхности глиссирующего катера, и смо-
ченная поверхность уменьшается еще больше: боковая
поверхность и очень значительная часть днища факти-
чески не смачиваются водой, что сильно уменьшает
сопротивление трения.
В выборе наилучшей поверхности глиссирующего
судна опыты с моделями разных профилей имеют
огромное значение. Модели здесь избавляют конструк-
торов от сложнейших и часто невозможных математи-
ческих расчетов.
Теперь стремятся строить большие суда. Их выгоду
и экономичность удалось установить при испытании
различных — малых и больших — моделей судов.
Мы можем установить наивыгоднейший размер
корабля и мощность двигателя, пользуясь исключи-
тельно «бумажным» моделированием. Опыты на «жи-
вых» настоящих моделях только подтвердили бы ре-
зультаты исследований.
Не следует думать, что теперь нельзя построить
судно, не прибегая к помощи модели. Высокоразвитая
техника кораблестроения позволяет создать любое
судно, основываясь только на расчетах. Но если при
этохм будет допущена какая-нибудь ошибка, ее послед-
ствия окажутся такими же тяжелыми, как много де-
сятков лет назад, — жизнь моряков на новом судне
будет в постоянной опасности.
39
В 1938 году в Англии было закончено изготовление
целой серии однотипных весьма быстроходных мино-
носцев. Стремясь выполнить военный заказ как можно
скорее, кораблестроители не уделили внимания испы-
таниям моделей. И когда миноносцы были уже спу-
щены, некоторыми видными моряками овладели те же
сомнения, которые почти семьдесят лет назад мучили
кораблестроителя Рида, смотревшего на несчастный
«Кэптэн».
Моряки сумели во-время доказать, что новым ми-
ноносцам грозит участь «Кэптэна», и все эти военные
суда были капитально переделаны.
Теперь модельные испытания, как правило, прохо-
дят все суда. У нас, например, путь нового корабля
начинается в «лаборатории судостроения» — в различ-
ных конструкторских бюро судостроительных за-
водов. Как только сюда поступает заказ на новый
корабль, конструкторы, основываясь на технических за-
даниях, составляющих этот заказ, приступают к выпол-
нению проекта.
Особое внимание уделяется поискам наилучшей
формы судна. Поиски этой формы — очень сложная
задача. Стоит припомнить здесь, что в свое время при
состязании на скорость двух морских гигантов —
«Куин Мэри» и «Нормандии» — победил французский
корабль «Нормандия». Ему досталась «Голубая лен-
та Атлантического океана», присуждаемая за самый
быстрый переход через Атлантический океан.
Мощность механизмов «Куин Мэри» была 214 тысяч
лошадиных сил, а у «Нормандии» — только 179 тысяч
лошадиных сил. Но в носовой части корпуса «Норман-
дии» впадины особой формы уменьшали сопротивле-
ние, испытываемое кораблем при движении по морю.
Эти впадины — их значение кораблестроитель оценил,
испытывая различные модели судов,—позволили «Нор-
мандии» обогнать «Куин Мэри», хотя корпус француз-
ского корабля был шире, чем у английского, и, ка-
залось, обладал явно худшими мореходными каче-
ствами.
Проверка формы нового судна всегда начинается
с изготовления так называемого теоретического черте-
40
жа. Только имея этот чертеж перед глазами, современ-
ный конструктор приступает к работе над моделями
корабля. Теоретический чертеж — это как бы отраже-
ние в зеркале корпуса корабля, рассеченного в самых
главных местах.
Одна плоскость рассекает судно вдоль — от кормы
до носа. Другая проходит перпендикулярно первой
в самом широком месте судна — в миделыппангоуте.
А третья как бы разрезает все сооружение по ватерли-
нии; это плоскость тихой воды, в которую погружается
судно, взявшее полный груз.
Теоретический чертеж, показывающий все прямые
и кривые линии корпуса будущего судна, дает воз-
можность изготовить точную модель. Получив та-
кую модель, конструкторы проводят испытание ее на
воде.
Следя за волнами, образующимися при ходе моде-
ли и тормозящими ее движение, кораблестроители до-
биваются максимальной обтекаемости корпуса. Конеч-
но, это дается нелегко — модель много раз переделы-
вается. Но ведь лучше исправлять маленькую модель,
а не огромный корпус настоящего судна — длиною
больше сотни метров!
Впрочем, иногда приходится исправлять и совсем
готовый корпус парохода, совершавшего даже немало
рейсов по океану. Экономия топлива, получаемая бла-
годаря этому, так важна, что кораблестроители идут
на жертву и вносят изменения в «живой» корабль. ТехМ
более, что иногда переделки не так уж велики.
Техника изготовления моделей, которых теперь тре-
буется множество, непрерывно совершенствуется. Рань-
ше модели строили только из дерева. На это уходило
очень много и труда квалифицированных мастеров
и времени.
Теперь ассортимент материалов, применяемых при
моделировании кораблей, очень широк: в дело идут
и легкоплавкие вещества вроде парафина, воска, лег-
ких металлов и пластмасс.
Маленькие модели отливаются из парафина и пред-
ставляют собою сплошной кусок этого материала, при-
нявший форму глиняного сосуда, в который вылили
41
расплавленный парафин. Большие мод-ели судов изго-
товлять подобным способом нецелесообразно. В глиня-
ную форму помещают каркас, сделанный из деревян-
ных реек, обтянутых полотном. Между каркасом и
стенками глиняной формы оставляется достаточно
широкий зазор, который и заполняется расплавленньш
парафином, крепко прилегающим к полотну.
Когда модель остывает, ее вынимают из глиняной
формы. Наступает главный момент — превращение
«зародыша» модели в точное подобие образцу. Модель
укрепляется на особом строгально-копировальном
станке. На копировальном столе станка надо только
водить вдоль линий чертежа модели особый штифт.
Автоматически подчиняясь движению штифта, резец
станка обтачивает парафиновую модель, пока она не
приобретает заданной формы.
После обработки резцом поверхность парафина не-
достаточно гладка. Корпус «корабля» приходится еще
хорошенько полировать, чтобы трение между ним и ча-
стицами воды было минимальным.
Затем необходимо еще добиться, чтобы модель
погружалась в воду точно так, как будет сидеть в ней
настоящий корабль: ватерлинии у них должны быть
расположены одинаково, конечно, в соответствии с раз-
мерами обоих кораблей.
Но вот, наконец, модель, мчащаяся в специальном
бассейне или за катером на тихой воде, удовлетворила
самых придирчивых и строгих контролеров. Модельные
испытания торжественно объявляются законченными,
и теоретический чертеж принимает свой окончатель-
ный вид.
Все переделки, произведенные на моделях нового
судна, вносятся и на теоретический чертеж.
Теоретический чертеж передается заводу и там в на-
туральную величину он выполняется прямо на полу
особого помещения. Цех судостроительного завода, где
чертеж корабля делается на очень гладком и чистом
сосновом полу, называется плазом.
Пока идут работы над чертежом в плазе, ведутся
различные испытания моделей. Надо на них проверить
не только мореходные качества судна, но и точно уста-
42-
новить, достаточна ли мощность двигателей, чтобы ско-
рость судна была именно такой, какую требует за-
казчик.
В плазе изготовляются и деревянные модели
многих отдельных частей судна. Иногда, например,
в натуральную величину делают модель-макет целого
машинного отделения. Такие модели-макеты помога-
ют конструкторам находить новые решения при разме-
щении сложнейшего оборудования современного паро-
хода или теплохода.
Переплетения труб и нагромождение на небольшом
пространстве разных машин так затрудняют выбор
лучшего варианта размещения всего по своим местам,
что только объемное представление, которое дает мо-
дель-макет, выручает конструкторов.
Труден и сложен путь корабля от первых эскизных
чертежей, от первых ориентировочных расчетов до ста-
пеля, где собирают по частям будущего морского
странника. Но когда по спусковой дорожке стапеля,
дрогнув всем корпусом, новый корабль начинает при-
ближаться к воде, успех его первого плавания, вся его
долгая и опасная жизнь во многом зависят от того,
как тщательно и умело проводились все испытания
маленьких моделей этого гиганта.
ЧУДЕСНЫЕ ЧИСЛА
Чтобы определить длину окружности или поверх-
ность шара, надо знать отношение длины окружности
к ее диаметру — знаменитое число «пи». Для сравни-
тельно грубых вычислений это число достаточно взять
таким: 3,14. Геометры, искавшие число- «пи», про-
делали огромную вычислительную работу, и его,
например, можно написать с точностью до десятого,
сотого знака.
Инженеру, ученому, высококвалифицированному
рабочему в своей деятельности постоянно приходится
пользоваться различными числами, которые «за него»
нашли другие. Кораблестроитель Фруд доказал, что
сопротивление воды — сложное явление. На моделях
надо отдельно определять сопротивление от трения и
43
волновое сопротивление, зависящее от формы корпуса
судна. Делая опыты с моделями судов, он установил
связь между длиной модели, ее скоростью и ускоре-
нием и выразил эту связь числом.
«Мое число должно быть одинаковым и у модели
и у настоящего корабля, — заявил Фруд, — только
тогда результат опытов с моделями можно переносить
на конструкцию судна, создаваемого на верфях».
Кораблестроители охотно согласились с этим: все-
таки прояснилось хотя бы кое-что в опытах с каприз-
ными моделями.
Однако в дальнейшем оказалось, что Фруд слишком
упростил дело, пренебрегая плотностью и вязкостью
жидкости, в которой движется корабль. Другой уче-
ный — Рейнольдс — исправил это. В число Рейнольд-
са входят уже и плотность и вязкость жидкости.
«У модели и у настоящего корабля должно быть
одинаковым мое число», — утверждал Рейнольдс.
Но, к удивлению многих, тут же обнаружилось, что
требования Фруда и Рейнольдса противоречат друг
другу: в первом случае при уменьшении размеров суд-
на должна уменьшаться и скорость, во втором — чем
меньше судно, тем больше скорость.
Оба числа, в сущности, должны характеризовать
одно и то же сопротивление жидкости, которое дей-
ствует на движущееся в ней судно. Так почему же
результаты получаются разные?
Секрет заключается в том, что правы оба — и Фруд
и Рейнольдс. Но, вычисляя это сопротивление, сначала
надо принимать во внимание только поверхность ко-
рабля, погруженную в воду, и для этого пользоваться
числом Рейнольдса, а другой раз, учитывая особенно-
сти формы корпуса корабля, прибегать к помощи чис-
ла Фруда.
Эту разгадку нашел А. Н. Крылов. В опытовом бас-
сейне исследование сопротивления движения корабля
делалось так. Из сопротивления, полученного на осно-
вании наблюдений над моделью, вычиталось сопро-
тивление трения, даваемое простым математическим
расчетом. Найденное число называлось остаточным со-
противлением — это странное название, в сущности,
44
выражало то, что «остаточное сопротивление» явля-
лось каким-то «довеском», о котором один математиче-
ский расчет не позволял судить.
Зная остаточное сопротивление модели, определить
остаточное сопротивление настоящего корабля не-
трудно. А если к этому числу прибавить вычисленное
сопротивление трения, экспериментатору станет из-
вестным полное сопротивление корабля, идущего в мо-
ре с той же скоростью, с какой двигалась модель в бас-
сейне.
А. Н. Крылов подчеркнул, что такой способ опре-
деления полного сопротивления корабля дает возмож-
ность судить о том, какая часть найденной величины
установлена на основании опыта с моделью и какая
рассчитана чисто математически. Способ Фруда не по-
зволял экспериментатору делать это.
Для кораблестроителя, испытывающего модели,
очень важно знать отношение длины корабля к его
ширине. Чем длиннее корабль, тем большим может
быть его объем, — иначе судно получится широким,
тихоходным. У быстроходных современных военных
и коммерческих судов длина велика, а корпус сравни-
тельно неширок.
Был в русском флоте удачно построенный военный
корабль «Андрей». Его созданию очень помогли мо-
дели. Испытывая модели в опытовом бассейне, ко-
раблестроители приняли в расчет увеличение водоизме-
щения «Андрея» до 21 тысячи тонн. Тогда, чтобы
достичь скорости в 213/4 узла, на корабле, как пока-
зывали расчеты и испытания первых моделей, требова-
лось поставить машину в
Форсировка, то-есть уве-
личение мощности в край-
нем случае — в бою, 'в
бурю, была невозможна.
По тем временам
45 тысяч лошадиных сил
считалось очень большой
мощностью. Стараясь как
можно выгоднее исполь-
зовать ее, инженеры ме-
45 тысяч лошадиных сил.
Соотношение длины и ширины
корабля.
45
няли размеры модели, ее обводы. И вот после долгих
трудов «идеал» был найден.
В пересчете с модели на натуру корабль должен
был иметь длину около 200 метров и обладать водо-
измещением в 23 тысячи тонн. Для скорости в 213/4 уз-
ла такой корабль требовал мощность в 32 тысячи ло-
шадиных сил. Если же дать ему мощность в 45 тысяч
лошадиных сил, то скорость увеличивалась до 24 уз-
лов.
Удачная форма корпуса «Андрея» была найдена
благодаря правильно взятому отношению длины
к ширине — числу, выражающему коэффициент за-
острения корабля.
Строителям кораблей особые числа, которые долж-
ны быть равными у моделей и у настоящих кораблей,
оказывали и оказывают огромную помощь. Эти «чу-
десные числа» помогают установить, будут ли подоб-
ными явления, происходящие, например, в опытовом
бассейне и в океане. Носят они название критериев
подобия, назовем их здесь проще — признаками по-
добия, пользуясь тем, что терминология в теории по-
добия и моделирования еще не очень строга.
И число Рейнольдса и число Фруда — неименован-
ные, или безразмерные. Это весьма важное обстоя-
тельство. Безразмерным, неименованным числом яв-
ляется и отношение длины к ширине корабля.
С именованными, или размерными, величинами
и с неименованными, или безразмерными, величинами
приходится постоянно сталкиваться каждому. Однако
деление величин на размерные и безразмерные не так
просто, как оно кажется на первый взгляд.
Какое число получается, например, в результате
измерения длины? Конечно, именованное — число мет-
ров, сантиметров и т. д. Но ответить можно и иначе:
в результате измерения длины мы получаем неимено-
ванное, безразмерное число, показывающее отношение
(измеряемой длины к единице измерения.
Если расстояние между двумя домами равно
100 метрам, то можно сказать, что отношение изме-
ряемого расстояния к единице измерения (метру) рав-
но 100. Такой способ выражения, несомненно, пока-
46
жется читателю сложнее общепринятого. Но при изу-
чении подобия вообще важно знать не абсолютные
размеры, а их отношения. Число Рейнольдса, Фруда,
коэффициент заострения корабля — все они получи-
лись в результате деления и представляют собою отно-
шения одних величин к другим.
Есть единицы измерения, являющиеся то безраз-
мерными, то размерными. Измеренный в градусах
угол — размерная величина. Если тот же угол выра-
зить в виде отношения его дуги к радиусу, то мы по-
лучим безразмерную, или относительную, величину.
И для угла на поверхности земного шара и для угла
на маленьком глобусе эти безразмерные величины бу-
дут численно одинаковыми.
То, что, например, число Рейнольдса безразмерно,
имеет большое значение в теории подобия: служа при-
знаком подобия двух явлений, комбинации из таких
величин в то же время показывают благодаря своей
безразмерности, что результат исследований может
быть перенесен не на единичный случай, а на целый
класс явлений.
Второй закон Ньютона, связывающий силу с массой
и ускорением, может быть выражен не только при по-
мощи измерения силы в килограммах или динах,
массы — в граммах, ускорения—сантиметр в секунду
в квадрате, но и безразмерными величинами. Это под-
черкивает всеобщность закона, его пригодность и для
крошечных моделей и для планет.
Возьмем простую безразмерную величину — кон-
центрацию. И в океане и в чайной ложке, зачерпнутой
из него, процентное содержание растворенных солей —
концентрация — будет абсолютно одинаковым. Мы
можем создать точную «химическую модель» океана,
добыв воду из кислорода и водорода, а потом добавив
в нее все требуемые соли. Зная необходимую концент-
рацию раствора некоторых солей, мы получим «мо-
дель» океанской воды. В ней смогут жить морские
животные.
Выбирая безразмерные величины, характерные для
изучаемой нами среды, мы всегда должны сосредо-
точивать свои усилия на определенной задаче. Нельзя,
47
например, в ложке морской воды создать подобие
океанских волн, но для определенной группы исследо-
ваний незаменимую роль играет и такая «модель».
Уменье выделять безразмерные величины, необхо-
димые для выполнения опытов, — основа научного мо-
делирования.
Изучая явление, а не конкретную машину, конкрет-
ный единичный случай, исследователь, строя модель,
прибегает к различным упрощениям, «очищая» иссле-
дования от всего несущественного, не обязательно свя-
занного с этим явлением. Он производит, так сказать,
идеализацию рассматриваемого явления.
Примерами такой идеализации могут служить ли-
нии, точки, поверхности, которыми пользуются механи-
ки, составляя схему для решения задачи, касающейся
какого-нибудь механизма или сооружения.
Такая идеализация является одним из условий, по-
могающих оторваться от единичного случая, от только
данного механизма или сооружения и распространять
результат исследования на некоторый класс явлений.
Изучая явления в модели парового котла, инженер
узнает, как будет вести себя не один котел определен-
ной марки, а все котлы определенной группы, которые
будут действовать в условиях, имевшихся при испы-
тании модели.
Системой, подобие которой с другими системами
играет большую роль в нашей повседневной жизни,
являются часы. Почему мы уверены, что крошечный
механизм ручных часов действует подобно специаль-
ному очень точному механизму, определяющему бег
времени, служащему контролером других часов? По-
тому,, что часы модель некоторого точного образца.
В любых из них (если они, конечно, идут правильно)
осуществляется динамическое подобие движению
стрелок — секундной, минутной и часовой — или дру-
гих деталей «идеального образца», за которым ведет-
ся постоянное, наблюдение.
Замечательным свойством моделирования является
то, что при таком способе исследования природы мож-
но одну среду заменять другой, одно явление — совер-
шенно другим. Это основывается на том, что разные
48
физические явления могут быть
подобными, их характеристики
можно выразить безразмерны-
ми числами.
Невозможно, например, ис-
следовать пространство сте-
кловаренной или другой печи
с бушующим в ней пламенем и
изучать в печи движение га-
зов. В этом случае можно
прибегать к «холодному мо-
делированию», воспроизводя-
щему движение газов, без
учета горения. Рабочим ве-
ществом в модели служит
не газ, а вода, но подобие яв-
лений в модели и в настоящей
печи получается с точностью,
достаточной для практики.
Движение тока в электри-
ческой цепи и течение воды
в трубах при известных усло-
виях подобные явления. В этом
случае их численно равные ха-
рактеристики можно считать
характеристиками одного и то-
го же явления, например дви-
жения электрического тока.
Критерии подобия, пред-
ставляющие собою комбинации
различных физических вели-
чин, иногда могут быть одина-
ковыми и для модели и для
оригинала только в том слу-
чае, если вещества, входящие
в состав модели и натуры, бу-
дут различными.
Предположим, что нам
нужно построить модель опо-
ры высоковольтной электриче-
ской линии. Размеры геоме-
Секрет точности часов.
49
4 Тайны моделей
трически подобных конструкций можно выражать
произвольно, выбирая за единицу измерения какой-
нибудь характерный размер. Воспользуемся в каче-
стве такой единицы измерения высотой опоры.
На опору высоковольтной электрической линии дей-
ствует много сил: и натянутые тяжелые провода, и ве-
тер, и вес льда, образующегося часто на проводах
зимой. Если модель опоры сделать из тех же материа-
лов, из которых выполнена настоящая опора, то необ-
ходимо соблюсти условие механического подобия, тре-
бующее, чтобы произведение высоты опоры на уско-
рение силы тяжести было равно и у модели и у на-
туры.
Ускорение силы тяжести — величина неизменяю-
щаяся, и чтобы эти оба произведения были равны, надо
модель делать такой же высоты, как настоящая опора.
Какая же это будет модель? Здесь выход находят,
применяя для модели другие материалы или имитируя
увеличение ускорения силы тяжести в специальных
машинах.
При исследовании прессования различных предме-
тов из стекла во Всесоюзном научно-исследовательском
институте стекла материалом модели служила кани-
фоль. Это понадобилось сделать потому, что стеклян-
ные изделия формуются при сравнительно высокой
температуре и нагрев различных точек изделия ме-
няется столь быстро, что наблюдение за ним представ-
ляет весьма сложную задачу.
Канифоль формуется при низких температурах,
тепловые процессы в ней протекают медленнее, чем
в стекле. Но анализ математических уравнений, ха-
рактеризующих тепловые процессы, показал, что такая
замена стекла канифолью в модели возможна. Замед-
ление же процесса (в пять раз) очень облегчило на-
блюдение.
В результате опытов с моделью «стеклянного изде-
лия», выполненного из канифоли, были получены весь-
ма важные для практики сведения.
В условия подобия или в признаки подобия, как
мы можем назвать их для большей наглядности, хотя
и с некоторым ущербом для точного смысла слова,
50
входят разные величины, и подобие между моделью
и натурой может достигаться с помощью различных
операций с этими величинами. Время, в течение ко-
торого идет явление в модели, может удлиняться или
укорачиваться, могут меняться материалы, входящие
в состав модели и натуры, могут меняться силы, дей-
ствующие на отдельные детали устройств или на всю
модель целиком.
Не всегда точность моделирования требуется в оди-
наковых предедах. Часто некоторыми величинами
можно пренебречь, потому что на практике это не ска-
жется на результате, а время, необходимое для работ,
сократится. Такое моделирование носит название при-
ближенного.
Не всегда нужно знать, как явление происходит во
всем сооружении. Тогда ведутся опыты с моделями,
представляющими только часть натуры.
Понятно, что, уменьшив все размеры модели,
нельзя не продумать, как теперь, на этой крошечной
территории, будут протекать физические процессы,,
действующие на больших площадях, больших объемах,
в толстых бетонных или стальных трубах. Появляется
необходимость менять скорость, давление жидкостей,
пара, напряжение и силу электрического тока, темпе-
ратуру.
Законы моделирования побуждают исследователей
пользоваться в своих работах самыми разнообразны-
ми открытиями в области физики. При изучении аку-
стических свойств новых зданий, театральных залов
архитекторы применяют модели сооружений.
Надежным средством проверки, как в новых поме-
щениях будут звучать речь, пение, музыка, является
испытание моделей звуком. Исследователи устанавли-
вают на опыте, как стены, потолок, пол, мебель отра-
жают звуки, несущиеся в зал со сцены.
Но в маленьких моделях обычные звуки «не укла-
дываются»: длина их волны оказывается слишком боль-
шой по сравнению с размерами модели. Опыты сопро-
вождаются такими звуковыми искажениями, которых
вовсе не будет в сооружении нормальной высоты, дли-
ны и ширины.
4*
51
При исследовании акустики
зданий пользуются ультра-
звуком.
Так ультразвук обте-
кает колонны в моде-
ли театрального зала.
Здесь исследователям моделей большую помощь
оказывает изменение «масштаба» звуковых волн. При
испытании моделей приходится пользоваться очень
короткими звуковыми волнами. Такие волны назы-
ваются ультразвуковыми. Ухо человека их совсем не
улавливает. Зато специальные приборы отлично при-
нимают и отмечают все искажения, получающиеся
в ультразвуковых волнах, если акустика здания или
зала рассчитана плохо.
В широких пределах в моделировании меняется
«масштаб времени». Мы уже говорили, как при изуче-
нии прессования стеклянных изделий замена в модели
стекла канифолью вызвала замедление физического
процесса в пять раз. В других случаях течение вре-
мени «убыстряется» так, что несколько часов заменя-
ют многие годы, даже десятки и сотни лет.
Мы рассказали о безразмерных величинах. Их при-
менение совсем не значит, что стали ненужными изме-
рения при создании различных моделей. Исследо-
вателям приходится вести измерения физических вели-
чин с особенной тщательностью, чтобы определить их
влияние на ход процесса, установить возможность пре-
небречь тем или иным условием.
Чем глубже человек проникал в тайны природы,
чем сложнее становились машины и различные соору-
жения, тем большее число величин приходилось изме-
52
рять. Электротехника потребовала измерений напря-
жения тока, его силы, электрического сопротивления,
магнитного потока. Гидротехники, решая свои задачи,
должны знать, с какой скоростью движется поток жид-
кости, какой шероховатостью обладают стенки трубо-
проводов, какова вязкость жидкости.
В моделях при уменьшении размеров в десятки,
сотни и тысячи раз неточность в измерении может
иметь серьезнейшие последствия. Самой простой частью
задачи, стоящей перед исследователем модели, может
показаться выбор размеров модели: уменьшить ее по
сравнению с натурой в десять или тысячу раз.
Раньше так действительно и делали, стараясь толь-
ко, чтобы модель была не слишком дорогою и в то
же время давала наглядное представление о будущем
сооружении. Так изготовляли модели мостов, зда-
ний, плотин. Иногда на этих моделях, как было
сказано выше, производили даже испытания на проч-
ность.
Теперь до определения размеров модели ученым
приходится делать немало расчетов и опытов. По-
стройка Куйбышевского гидроузла потребовала де-
тальнейшего изучения волн на модели. Размеры всего
гидроузла и его деталей грандиозны. Какими же долж-
ны быть размеры модели?
Одна из моделей, созданная для изучения волн, по-
являющихся при работе шлюзов, занимает площадку
в 4 тысячи квадратных метров. Модель огромна! Но
нельзя ли было уместить ее на площадке в 2 сотни
квадратных метров? Нет, ибо даже при 4 тысячах
квадратных метров волны, возникающие в модели во-
доема, совсем микроскопические: максимальная их
величина достигает только 3 миллиметров. Наблюде-
ние за такими волнами является поистине научной про-
блемой.
Конечно, это должно быть известно еще до построй-
ки модели. Было бы очень опасно, выстроив все соору-
жение, выяснить, что оно не годится для главного
своего назначения. А подобные знания дают не только
исследования и опыты, производимые в натуре, но
и предварительный математический анализ.
53
Таким образом, выбор масштаба для получения гео-
метрического подобия модели и натуры далеко не про-
стое дело, хотя часто размер модели определяется ра-
бочим помещением — длиной и шириной лаборатории,
площадью стола ученого, если модель должна быть
настольной.
Не всегда, однако, удается выбрать один опреде-
ленный масштаб для модели. Представьте себе, что
в лаборатории надо изучать участок широкой, но не-
глубокой реки. Уменьшая все размеры, допустим,
в тысячу раз, мы получим модель с очень тонким слоем
жидкости. Проводить с ним некоторые опыты окажется
весьма неудобным. Тут приходится вертикальные раз-
меры уменьшать меньше, чем поперечные и продоль-
ные. Бывают и такие случаи, когда все три измере-
ния — вертикальное, продольное и поперечное — де-
лаются при помощи разных масштабов.
Неодинаковое изменение размеров в разных на-
правлениях модели и натуры называется искажением
масштабов. К нему надо прибегать лишь в крайнем
случае и пользоваться им очень осторожно: ведь мо-
дель обычно должна являться точной маленькой ко-
пией оригинала.
Гидротехнический узел представляет собою слож-
ное сооружение, в которое входят плотина, шлюзы,
каналы, водосбросные устройства, башни, бассейны,
здание гидроэлектростанции со всеми бетонированны-
ми «дорогами воды», направляющими ее к лопастям
рабочего колеса турбины.
Выполняя модель гидротехнического узла, далеко
не всегда можно обойтись без некоторых весьма суще-
ственных подробностей. Но по сравнению с плотиной
длиной в 5 километров здание гидроэлектростанции
крошка. Как же представить ее на модели?
Если для удобства опытов и наблюдений все го-
ризонтальные размеры увеличить по сравнению
с другими размерами того же сооружения, то пото-
ки воды будут здесь двигаться уже не так, как в на-
стоящем гидроузле. Изменятся направления этих по-
токов, возникнут в воде силы, которых не будет
в натуре.
54
Нельзя ли, однако, увеличить одну гидроэлектро-
станцию, не изменяя масштабов остальной модели,
создать «комбинированное подобие» гидроузла?
Теоретические расчеты и опыты на моделях пока-
зали, что в некоторых случаях можно пользоваться
комбинированными моделями для изучения таких
сложных явлений, как волны в районе гидроузлов.
Комбинированная модель с искаженным или не-
искаженным по длине масштабом дает, например,
возможность добиться, чтобы условия трения жидко-
стей о стены сооружения совпали в модели и в натуре.
Теория подобия занимается изучением заведомо
подобных явлений, подобия, существующего в самой
природе. Теория моделирования указывает способы,
каким образом подобие можно создать, заставив мо-
дель действовать так же, как образец, как большая
машина, огромное сооружение, ёще не существующее,
но к которому уже предъявлены определенные требо-
вания.
Наши ученые и инженеры непрерывно развивают
и совершенствуют этот замечательный способ, позво-
ляющий при помощи моделей исследовать не только
механизмы и различные строительные сооружения, но
и проникать в глубочайшие тайны природы.
Но не все ученые считают теорию подобия и метод
моделирования мощными средствами движения впе-
ред науки и техники. В таких отраслях, как теплотех-
ника, гидротехника, и некоторых других моделирова-
ние стоит на высокой ступени, потому что в них рабо-
тает немало выдающихся специалистов, являющихся
подлинными энтузиастами широчайшего внедрения
методов моделирования.
В электротехнике моделирование электрических яв-
лений начало развиваться у нас только сравнительно
недавно благодаря трудам В. А. Веникова, М. П. Ко-
стенко, П. С. Жданова, Е. Д. Трейвиша и других.
Советские ученые разработали совершенно новые
методы моделирования важных электрических явле-
ний.
Есть поговорка: «Чем лучше человек владеет ин-
струментом, тем смелее он с ним обращается». Овла-
55
дев наукой моделирования, инженеры смело опериру-
ют ее методами, совершенствуют их, упрощают, дела-
ют доступными широкому кругу людей. У нас моде-
лирование сейчас с большим успехом применяется
в гидротехнике, теплотехнике, во многих отраслях ма-
шиностроения. Делаются интереснейшие опыты по мо-
делированию и в таких областях науки, как геология,
биология.
При всем своем значении опыты с моделями не за-
меняют других методов исследования, например опы-
тов с настоящими машинами, исследований, проводи-
мых учеными и инженерами на местах грандиозных
сооружений, во время пуска, налаживания и эксплуа-
тации гидроэлектростанций.
Опыты на моделях и в натуре служат для взаим-
ного развития и совершенствования. Они дополняют
друг друга. Правильно поставив опыты с моделью,
исследователь открывает суть данного явления. Ре-
зультат единичного опыта, проведенного в определен-
ных условиях, можно распространить на целые группы
подобных явлений. Между условиями работы лабора-
торной установки и настоящей машины или сооруже-
ния нет существенной разницы.
Уверенность в подобии явлений особенно важна,
когда изучается громадное сооружение, дорогое и
сложное, когда от правильно поставленного испыта-
ния модели зависит жизнь людей, например пассажи-
ров и команды новых самолетов.
В одном из своих рассказов Г. Уэллс рисует образ
строителя самолета, блестяще преодолевшего все за-
труднения, но с ужасом думающего о дне испытания,
когда самому придется управлять машиной в воздухе.
Несчастный конструктор предпочитает застрелиться,
чтобы уйти от страха ожидания, избежать мучитель-
ной смерти, нарисованной его фантазией.
Уэллс воспользовался действительным фактом,
взятым из той эпохи самолетостроения, когда модели-
рование машин тяжелее воздуха еще стояло не на
должной высоте и между расчетами конструктора
и поведением машины была пропасть, которую не вся-
кому дано было преодолеть.
56
подвиг
Большинство первых завоевателей воздуха пробо-
вало свои конструкции сначала на небольших моде-
лях, а уж потом переходило к испытанию крупных
устройств для полета.
Создание летающих машин — даже таких, которые
были способны пролететь в воздухе только несколько
метров, — было исключительно рискованным делом.
Летающие модели играли и играют большую роль
в прогрессе авиации, спасая и человеческие жизни,
и огромные количества материалов, и труд людей,
строящих самолеты, указывая новые пути конструк-
торам.
Воздушный змей, изобретенный в Китае многие
тысячелетия назад, в сущности, является «моделью»
основной части самолета — крыла, ибо один и тот же
принцип объясняет, почему может подниматься в воз-
дух крылатая машина и простой лист бумаги с тонкой
деревянной рамкой — любимейшая детская игрушка
воздушный змей.
Плоская пластинка, находящаяся в струях воздуха,
создает подъемную силу, если эту пластинку располо-
жить под соответствующим углом к направлению дви-
жения струй. От изменения этого угла зависит каче-
ство воздушного змея, снабженного «хвостом», тяжесть
которого влияет на наклон плоскости змея.
У самолета такой угол называется углом атаки
и служит одним из важнейших аэродинамических ха-
Старинные модели геликоптеров.
57
Чем сложнее машина, тем слож-
нее ее модель.
рактеристик машины.
Всячески меняя этот
угол, изгибая пластин-
ки, придавая им раз-
личные формы, изобре-
татели машин тяжелее
воздуха иногда созда-
вали самые фантасти-
ческие конструкции мо-
делей, неспособные
оторваться хотя бы на
один сантиметр от зем-
ли, несмотря на все
совершенства отдель-
ных деталей.
Но так или иначе,
открыв свойство пло-
скости, обтекаемой струями воздуха, подниматься
вверх, конструкторы летающих моделей сосредоточи-
ли свои силы уже на этих неподвижных плоскостях,
а не на машущих крыльях, подобных крыльям птицы.
Найденное опытным путем свойство нередко ис-
пользовалось неправильно, с нарушениями основных
законов аэродинамики — науки, сделавшей возмож-
ным заранее определять летные качества машины. Не-
знание аэродинамики приводило к очень плачевным
результатам.
История модели самолета полна трагизма. Ведь
казалось так просто создать маленькую летающую
машинку, а потом по этой модели построить большой
летательный аппарат тяжелее воздуха! Но сколько
людей на этом пути сошло с ума, разорилось на непо-
сильных опытах, погибло, доверившись зачастую об-
манчивым результатам, полученным во время испыта-
ний моделей.
Тут было очень много причин неудач. Одна из них
заключалась в том, что изобретатели не учитывали
масштабного эффекта. Он заключается в том, что при
изменении масштабов во много раз меняются условия
работы всех деталей. Недостаточным оказывается
источник подъемной силы. Материал, пригодный для ма-
58
лой модели, становится слишком непрочным для уст-
ройства, увеличенного, например, в пятьдесят-сто раз.
Маленькая бабочка легко порхает в воздухе. Но
если ее увеличить в сто раз, крылатое чудовище будет,
в лучшем случае, ползать по земле и весь его механизм
будет отличаться крайней непрочностью.
Масштабный эффект дает правильное указание
конструкторам: нельзя сделать удачную маленькую
модель из картона и дерева, рассчитывая, что и боль-
шая машина из тех же материалов даст соответствую-
щие результаты.
Неправильно понимавшийся масштабный эффект
был весьма серьезным тормозом в строительстве аппа-
ратов тяжелее воздуха. Скептики уверяли, что пере-
ход от модели к большой машине невозможен. Энту-
зиасты, делавшие самолеты из тех же или весьма
близких по качеству материалов, что и модели,
расплачивались за ошибки жизнью.
Несмотря на все затруднения, на отставание науки
о полетах твердых тел в воздухе, все же находились
люди, умевшие разгадывать тайны моделей и удачно
переносить испытания моделей на большие машины.
К таким людям относится замечательный русский кон-
структор и ученый, создатель первого самолета Але-
ксандр Федорович Можайский.
В отличие от изобретателей, строивших до него мо-
дели, не основанные на аэродинамических расчетах,
А. Ф. Можайский сначала на бумаге доказал, что
его модель обязательно должна летать, а потом уже
приступил к ее практическому изготовлению. Работа
над моделями привела Можайского к важнейшему
выводу: «Чем больше скорость движения, тем боль-
шую тяжесть может нести та же площадь».
Можайский был морским офицером, по своему по-
ложению человеком, далеким от необходимости рабо-
тать физически. Но он отлично изучил и слесарное
и токарное дело и сам от начала до конца изготовлял
маленькие модели летающих аппаратов.
Особенно удивительной была летающая модель
самолета, которую изобретатель показывал некоторым
специалистам. Двигателем у этой модели, снабженной
59
тремя маленькими воздушными винтами, служила
обыкновенная часовая пружина, заводившаяся клю-
чом. Когда модель, разбежавшись по широкому пись-
менному столу изобретателя, легко поднялась в воз-
дух, профессор Алымов и воздухоплаватель Спицын
буквально оцепенели от изумления. До тех пор никто
не верил, что механическая «игрушка», лишенная пу-
зыря, наполненного газом легче воздуха, может ле-
тать — летать подобно стрекозе или ласточке.
Чтобы убедить присутствующих при опыте, что
модель обладает значительной грузоподъемностью,
А. Ф. Можайский положил на нее свой тяжелый офи-
церский кортик. Превращенная в первый «транспорт-
ный самолет», модель поднялась в воздух вместе
с оружием моряка.
«Изобретатель весьма верно решил давно стоящий
на очереди вопрос воздухоплавания. Аппарат при по-
мощи своих двигательных снарядов не только летает,
бегает по земле, но может и плавать. Быстрота полета
аппарата изумительна, он не боится ни тяжести, ни
ветра и способен летать в любом направлении.
...Опыт доказал, что существовавшие до сего вре-
мени препятствия к плаванию в воздухе блистательно
побеждены нашим даровитым соотечественником. Гос-
подин Можайский совершенно верно говорит, что его
аппарат при движении на всех высотах будет постоян-
но иметь под собою твердую почву...»
Так о модели Можайского в январе 1877 года
в «Кронштадтском вестнике» писал член Московского
технического комитета полковник Богословский.
Несмотря на первые удачные полеты модели, Мо-
жайский долго продолжал ее изучение. Изобретатель
предусмотрительно составил целую «Программу опы-
тов над моделью летательного аппарата». Это уже бы*
ло подлинной научно-исследовательской работой по
моделированию. К величайшему сожалению, все эти
выводы, опыты и расчеты не стали достоянием русских
конструкторов самолетов. А о том, какую ценность
представляли работы Можайского, можно судить по
совершенству самолета, сконструированного изобре-
тателем.
60
В 1911 году, когда открылась первая Междуна-
родная воздухоплавательная выставка, профессор
В. И. Ковалевский, осматривавший «последние слова
техники авиации», представленные на выставку мно-
гими фирмами, с гордостью вспомнил самолет Можай-
ского, сделанный 30 лет назад.
В. И. Ковалевский сказал: «Сделан был аппарат
настолько хорошо, что если бы его поставить здесь
в Михайловском манеже рядом с Блерио, то послед-
ний мог бы сказать: «шапки долой».
«Летающие этажерки», «Летающие гробы» — вот
были характерные названия тогдашних аппаратов тя-
желее воздуха. Когда одно весьма высокопоставленное
лицо, присутствовавшее при пробных полетах самоле-
тов, с удивлением спросило известного авиаконструк-
тора: «На чем в воздухе держатся его машины?» —
конструктор, не задумавшись, ответил: «На энтузиазме
авиаторов, ваше высокопревосходительство».
К. К. Арцеулов, первый человек, выполнивший
штопор — фигуру высшего пилотажа, спасшую по-
том множество летчиков, вспоминая машину, на кото-
рой совершал свои героические подвиги один из летчи-
ков, Евграф Николаевич Крутень, говорит, что эта тя-
желая неуклюжая машина была построена с самым
явным нарушением законов аэродинамики.
Крупный специалист конструктор самолетов Рикар-
до Броцци писал в 1916 году: «Аэродинамика, бесспор-
но, есть наука вполне эмпирическая. Все заслуживаю-
щие доверия законы являются и должны быть указа-
ниями действительного опыта. Нет ничего более опас-
ного, как применять математический аппарат с целью
построения этих законов...»
Таким образом, Броцци отвергал возможность пред-
варительных расчетов, касающихся летных качеств
машин тяжелее воздуха. Он утверждал, что между мо-
делью, удачно поднимавшейся в воздух, и машиной,
на которой летали в то время, нет ничего, что позво-
лило бы делать какие-то достоверные выводы, как-то
предусматривать будущее самолета.
Только люди, не знавшие работ ученых и исследо-
вателей по аэродинамике, могли говорить это. Еще
61
в 1897 году К. Э. Циолковский сделал установку для
изучения моделей летательных аппаратов — дири-
жаблей и крыльев самолетов. В этой установке на за-
креплённую модель самолета или какой-нибудь его ча-
сти набегал воздушный поток, гонимый более или ме-
нее мощным вентилятором. В дальнейшем такая уста-
новка получила название аэродинамической трубы. На
своей маленькой кустарно сделанной аэродинамической
трубе Циолковский произвел множество оригинальных
исследований моделей дирижаблей и самолетов.
Аэродинамическая труба позволяет судить об одном
из важнейших свойств крыла самолета — о его подъ-
емной силе. Эту силу исследовал в 1879 году молодой
ученый Н. Е. Жуковский. Он сделал очень большие,
легкие крылья, прикрепив их к велосипеду.
' Жуковский много времени отдавал поездкам на
этом странном сооружении. Один из рейсов кончился
крушением крылатого велосипеда. Ученый, испытывая
машину, на опыте убедился в существовании подъем-
ной силы, ее зависимости от угла атаки. Он на себе
ощутил, как тело чудесным образом теряло вес и, ка-
залось, вот-вот полетит.
Делая опыты на моделях и производя сложные тео-
ретические расчеты, Н. Е. Жуковский в 1897 году вы-
пустил научный труд «Наивыгоднейший угол наклона
аэроплана», сыгравший огромную роль в создании са-
молетов. Жуковский этот угол — 15 градусов — опре-
делил теоретически и проверил на моделях. А в
1906 году он написал замечательную работу «О присо-
единенных вихрях», в которой дал основную формулу
аэродинамики, позволяющую рассчитывать подъемную
силу крыла самолета, а не находить ее каждый раз
опытным путем.
Торжеством науки и опыта, в котором громадную
роль играли модели, являются труды Жуковского, по-
священные воздушным винтам.
Теория воздушного винта занимала ученого дав-
но. В 1904 году в Кучино, под Москвой, по идее
и под руководством Н. Е. Жуковского был по-
строен Кучинский аэродинамический институт. Кроме
большой аэродинамической трубы, ученый сконструи-
62
ровал совершенно новый
прибор для испытания воз-
душных винтов и оригиналь-
ный прибор для изучения
моделей ветряных двигате-
лей.
Множество моделей вин-
тов было испытано Жуков-
ским в Кучинской лаборато-
рии. Не все испытания но-
сили безопасный характер.
Однажды винт разлетелся
на’куски, и обломок чуть не
«Превращения* аэродинамической трубы.
63
В течение десятилетий исследователи ни теоретиче-
ски, ни на основании опытов с моделями не могли най-
ти ключа к проектированию воздушных и водяных вин-
тов. Вихревая теория Жуковского, создать которую в
значительной мере помогли опыты с моделями в Ку-
чинском институте, дает возможность проектировать и
изготовлять любые винты: для самолетов, ветряных
двигателей, вентиляторов, для морских судов.
До работ Н. Е. Жуковского и А. Н. Крылова греб-
ные винты никто не рассчитывал, никто не умел зара-
нее сказать, как будет действовать тот или другой
винт. При строительстве кораблей потому нередко
происходили «печальные курьезы»: «усовершенство-
ванный» новый винт действовал так, что снабженный
им корабль, расходуя колоссальные количества топ-
лива, едва-едва плелся по морским волнам.
Работы с воздушными винтами и другими деталя-
ми самолетов постоянно наталкивали Н. Е. Жуков-
ского на мысль об устройстве и усовершенствований
аэродинамических труб, позволяющих быстро, надежно
и удобно испытывать многие детали. Аэродинамиче-
ские трубы, построенные Жуковским для изучения мо-
делей планеров, для разных исследований потока воз-
духа, вихрей, вошли в историю науки.
Модели всевозможных летательных аппаратов
ученый начал испытывать уже в 1889 году в кабинете
прикладной механики Московского университета.
А в 1902 году им была создана аэродинамическая тру-
ба, называвшаяся тогда «первой галереей для искус-
ственного потока воздуха».
В 1904 году, когда в аэродинамической трубе уста-
новили мощный двигатель, скорость потока воздуха, в
котором испытывались модели, была доведена до
11 метров в секунду. Через пять лет Жуковский рас-
считал конструкцию новой еще более мощной и совер-
шенной трубы. В ней скорость потока воздуха подня-
лась до 35 метров в секунду.
Оперение тогдашних самолетов постепенно улучша-
лось благодаря тем данным, которые Жуковскому и
его ученикам удалось получить, изучая, как поток воз-
духа действует на простейшую модель крыла — пла-
64
стинку — и более сложные модели, приближавшиеся
к геометрическому подобию крыла настоящего само-
лета.
В 1910 году в Московском высшем техническом
училище Жуковский сконструировал плоскую аэроди-
намическую трубу, в ,которой можно было производить
все необходимые исследования модели крыла само-
лета, наиболее полно решая задачи, связанные с по-
ведением крыла в воздухе. Очень долго эта труба бы-
ла единственной в мире.
Затем аэродинамические трубы стали появляться
всюду, где исследовались летные качества машин тя-
желее воздуха и где строились самолеты.
Без аэродинамической трубы теперь не может
обойтись не только ни одна научно-исследовательская
организация, так или иначе связанная с постройкой
самолетов, но даже школьная лаборатория, изучаю-
щая аэродинамические свойства разных тел. Любите-
ли, строящие модели самолетов, часто имеют аэроди-
намические трубы, в которых они испытывают детали
своих «машин».
Работы Н. Е. Жуковского в аэродинамических ла-
бораториях с их маленькими аэродинамическими тру-
бами были только этапами на пути к осуществлению
мечты великого ученого — созданию крупного научно-
исследовательского центра, занимающегося вопросами
авиации. При советской власти этой мечте суждено
было осуществиться. В нашей стране появилась первая
научно-исследовательская организация, главной темой
работы которой была аэродинамика. «Летучая лабора-
тория», как называлось это учреждение, дала первые
кадры исследователей для созданного по инициативе
В. И. Ленина Центрального аэрогидродинамического
института (ЦАГИ).
Роль ЦАГИ, которым руководил Жуковский, в раз-
витии авиации огромна. О том, насколько нужно было
подобное учреждение, можно судить по тому, что вме-
сте с увеличением выпуска самолетов во всем мире
резко росло число катастроф, обычно кончавшихся
гибелью как самого летчика, так и машины. Конструк-
торы самолетов не могли влиять на уменьшение ава-
5 Тайны моделей
65
рийности, потому что в, их распоряжении не было
надежных средств проверки технических идей, испыта-
ний конструкций.
В первое время, когда авиация делала еще неуве-
ренные шаги, конструкторы моделей самолетов пыта-
лись строить только летающие модели. Все свои силы
изобретатели сосредоточивали на создании машины,
которая раскрыла бы секрет подъема в воздух.
Теперь модели строят и летающие и нелетающие.
Нелетающие модели и главным образом их отдельные
части подвергаются исследованиям в аэродинамиче-
ских трубах, чтобы судить о летных качествах тех ма-
шин и деталей, прообразом которых является модель.
Нелетающие модели должны быть геометрически по-
добны оригиналу, чтобы при исследованиях не проис-
ходило ошибок.
Геометрическое подобие нелетающей модели ориги-
налу требуется и от так называемых тактических мо-
делей. Эти модели устанавливаются на особых под-
ставках в положении полета и предназначаются в ка-
честве пособий для летных школ. Аэродинамическим
исследованиям они, конечно, не подвергаются, но точ-
ность изготовления от этих моделей-макетов требуется
очень большая. По едва уловимым для непривычного
глаза признакам летчики учатся мгновенно распозна-
вать тип самолета, его назначение.
Летающие модели самолетов тоже бывают разные.
Одни из них создаются как прообразы еще несуще-
ствующих машин. Другие являются точнейшими ма-
ленькими копиями построенных и порою даже хорошо
испытанных машин. Такие летающие модели-копии
играют значительную роль, потому что они нередко по-
зволяют без риска для жизни летчика открыть новые
возможности машины.
Изготовление моделей самолетов имеет много осо-
бенностей. В частности, требуется необычайная тща-
тельность отделки модели. Малейшая шероховатость
может стать причиной «аварии» или искажения ре-
зультатов исследований хороших по замыслу моделей.
Между изготовлением моделей в научно-исследова-
тельских организациях и в кружках любителей авиа-
66
модельного спорта огромная разница. Но порою бы-
вает так, что и любительская модель открывает нечто
новое, оказывающееся полезным даже конструкторам,
десятки лет работающим в специальных бюро.
Кроме этого, трудясь над моделями самолетов и
планеров, юноши привыкают технически мыслить, при-
обретают различные навыки, необходимые подлинному
конструктору. Поэтому нередко авиамоделисты стано-
вятся в дальнейшем специалистами, конструирующими
самолеты.
Ежегодно у нас проводятся всесоюзные состязания
авиамоделистов. Для сухопутных моделей отводится
аэродром со специальными спортивными площадками,
а для моделей гидросамолетов — бассейн. Судьи со-
ревнований следят за полетами моделей в дальномеры
и стереотрубы. В распоряжении жюри есть и настоя-
щие самолеты, преследующие наиболее удачные моде-
ли. Особые наблюдательные пункты дают возможность
следить за всем полетом моделей. Успехи наших люби-
телей-авиамоделистов очень велики. Международная
авиационная федерация регистрирует все мировые ре-
корды летающих моделей; из 62 рекордов, достигнутых
строителями моделей до марта 1953 года, 34 доби-
лись советские авиамоделисты.
Летающая модель когда-то была величайшим до-
стижением человеческого ума. Теперь ее делает каж-
дый любознательный школьник. Обычно юным кон-
структорам не приходится прибегать к каким-либо
сложным расчетам. Не знают они и основ научного
моделирования. Иначе обстоит дело с моделями само-
летов, предназначенными служить прообразами на-
стоящих машин.
При изучении любого явления исследователь, соби-
рающийся строить модель, должен в первую очередь
уметь схематизировать, то-есть отбрасывать все несу-
щественное и представлять свою задачу в обобщен-
ном виде с допустимыми и необходимыми упроще-
ниями.
Самолет, подводная лодка, торпеда, ракета глав-
ную «работу» выполняют, совершая поступательное
движение в воздухе или в жидкости с постоянной ско-
5*	67
ростью. В данном случае схематизация заключается
в том, что скорость мы считаем постоянной, жид-
кость — безграничной и несжимаемой, но вязкой. Для
того чтобы установить, как твердое тело будет дви-
гаться в такой жидкости, необходимо прежде всего
знать две величины. Первая из них — угол атаки, то-
есть угол между продольной осью движущегося тела
и направлением набегающих струй воздуха (жидко-
сти). Нужно также знать и число Рейнольдса, харак-
теризующее сопротивление среды, которое движу-
щееся тело встречает на своем пути.
Для того чтобы модель и образец вели себя оди-
наково, у них должны быть одинаковыми и угол атаки
и число Рейнольдса. Сделать одинаковыми углы ата-
ки нетрудно. Но при громадной разнице в величине
модели самолета и настоящего самолета число Рей-
нольдса в обоих случаях не может быть одинаковым.
В это число входят такие множители, как объем тела,
вязкость жидкости и скорость тела.
Объемы у модели и оригинала резко отличаются
друг от друга. Вязкость жидкости (в данном случае
воздуха) одинакова. Следовательно, чтобы произведе-
ние в обоих случаях было равным, надо во столько же
раз увеличить скорость движения модели, во сколько
раз ее объем меньше объема оригинала.
Можно также увеличить плотность и вязкость сре-
ды, в которой испытывается модель. Увеличение плот-
ности достигается применением герметически закрытых
аэродинамических труб; это позволяет сильно повы-
шать в них давление.
Но часто идут и другим путем, создавая гигантские
аэродинамические трубы. В них продувается самолет
в натуральном объеме или его модель, уменьшенная
сравнительно незначительно.
Не всегда, однако, требуется, чтобы числа Рей-
нольдса у модели и у натуры были одинаковыми.
В этих случаях исследование моделей в аэродинами-
ческих трубах очень облегчается.
Каким же образом в аэродинамических трубах ве-
дется наблюдение? В них можно исследовать «ско-
рость» неподвижных тел: их движение заменяется дви-
68
жением струй воздуха в аэродинамической трубе, ко-
торые гонит вентилятор соответствующей мощности.
Аэродинамическая труба строится таким образом, что
в ней потоки воздуха идут прямо, во всяком случае к
этому всегда стремятся. Наталкиваясь на препятствие,
помещенное в трубе, потоки воздуха или иного веще-
ства меняют свое направление: там, где давление по-
вышается, струи отклоняются от крыла (или другой
детали), в местах с пониженным давлением струи воз-
духа, наоборот, приближаются к крылу. Воздух, как
говорят, подсасывается к поверхности обтекаемого им
тела.
О том, как трудна работа исследователя, пользую-
щегося аэродинамической трубой, можно судить по
следующему примеру. Толщина слоя воздуха непо-
средственно у поверхности крыла — приграничного
слоя — иногда бывает меньше одного миллиметра! Од-
нако именно эти исследования открыли, что при боль-
ших скоростях основную часть сопротивления крыла
составляет трение воздуха о поверхность крыла.
В приграничном слое часть воздуха гладко обтека-
ет крыло. А дальше происходит образование вихрей, и
сопротивление крыла сразу увеличивается во много
раз.
Улучшение профиля крыла — одна из важнейших
задач авиаконструкторов.
Воздух, окрашенный дымовыми струями, позволяет
очень наглядно представлять себе работу крыла, а фо-
тоаппараты дают возможность фиксировать любые
моменты исследования модели детали или всего само-
лета в аэродинамической трубе.
Огромная поверхность океанов и морей, омываю-
щих сушу, вызвала появление особого вида самоле-
тов— летающих, лодок, для испытания которых уже
недостаточно аэродинамической трубы. Их постройка
требует исследований в воздухе и на воде.
При подъеме и при посадке эти самолеты скользят
по поверхности воды, глиссируют, и очень важно — и
в целях безопасности и для облегчения движения —
выбрать наилучшую конструкцию днища, чтобы они
неглубоко погружались в воду.
69
Другая особенность летающих лодок — острые
грани между бортом и днищем и устройство уступов
(реданов). Все это служит, как мы уже знаем, для то-
го, чтобы струи воды, по которой скользят лодка или
поплавки гидросамолета, срывались с поверхности
судна, уменьшая смачиваемую часть лодки или по-
плавков и трение о воду. Таким образом, облегчается
взлет летающих лодок.
Опыты с моделями лодок и поплавков заключаются
в том, что последовательно испытывается целая серия
профилей и из нее выбирается лучшая форма.
Однако опыты с моделями могли бы вестись беско-
нечное время, если бы исследователи не располагали
указаниями, в каком направлении следует итти.
Не строя ни модели, ни настоящего глиссера или
летающей лодки, авиаконструкторы имеют в своем
распоряжении различные величины, найденные на ос-
новании теории и практики и характеризующие те или
другие свойства днища, бортов, поплавка, летающей
лодки. Эти характеристики — параметры — безразмер-
ны. Меняя их для моделей, исследователь, получив
требуемый результат, может быть уверен, что и боль-
шая машина будет действовать подобно маленькой
модели.
В своей книге «Методы подобия и размерности в
механике» академик Л. И. Седов рассматривает очень
интересный момент в работе летающих лодок и других
летающих машин, с известной скоростью опускающих-
ся на поверхность воды.
Бросая плоские камни параллельно поверхности
воды, можно наблюдать, как они, многократно рико-
шетируя, прыгают над морем подобно живому суще-
ству. Понятно, что рикошет расшатывает конструкцию
при ударах о воду и мож-ет гибельно сказаться на лю-
бой летающей машине, опустившейся в море.
Явления рикошета очень распространены. Отме-
чаются они, например, при стрельбе артиллерии в мо-
ре. Был случай, когда крупное ядро совершило более
22 рикошетов. Во вторую мировую войну нашло при-
менение «сухопутное рикошетирование». Бомбарди-
ровщики иногда бросали специальные бомбы с такой
70
высоты, что, падая, они не
шись боком, рикошетирова-
ли и летели горизонтально,
пробивая различные
жения, и при взрыве
бине их причиняли
большие разрушения.
Изучать рикошет
соору-
в глу-
очень
Рикошет опасен.
на на-
стоящей машине, управляемой человеком, невозмож-
но, так как это сопряжено с опасностью для жизни
летчика и грозит поломкой самолета. Поэтому явле-
ния рикошета летающих машин исследуются на моде-
лях. Ими служат, как пластинки — схематизирован-
ные модели лодок и поплавков, так и устройства, гео-
метрически подобные настоящим деталям.
Рикошет вообще вызывается большой горизонталь-
ной скоростью, обеспечивающей отскакивание от воды:
несмотря на свою плоскую форму, тяжелый камень,
брошенный рукой человека, никогда не отскочит от
поверхности воды, а пойдет на дно, так как его гори-
зонтальная скорость будет недостаточно велика.
Горизонтальная скорость тела, ударяющегося о во-
ду, меняется, потому что здесь проявляются силы со-
противления воды. Но время, в течение которого при-
ходится считаться с опасностью- рикошетирования,
очень коротко. Поэтому, моделируя летающую лодку,
ударяющуюся о поверхность океана, горизонтальную
скорость можно принимать постоянной. Это облегчает
задачу исследователя. Однако очень важно, чтобы мо-
дель лодки или поплавка всегда двигалась с заданной
скоростью.
Для обеспечения такой скорости применяют «бук-
сир». Им служит небольшая тележка, скользящая по
рельсам над поверхностью бассейна, в котором ведет-
ся испытание. Чтобы модель лодки или поплавка мо-
гла свободно ударяться о поверхность воды, центр
тяжести модели располагается так, что он поднимается
и опускается по вертикальной штанге, соединенной с
тележкой. Это позволяет наблюдать удары модели о
71
воду при движении летающей лодки или поплавка
с заданной горизонтальной скоростью.
В деталях тележки и других деталях, служащих
для передвижения модели в том или другом направле-
нии, появляются силы трения, которых, конечно, не су-
ществует при свободном падении летающей лодки на
поверхность воды. Конструкторы моделей добиваются,
чтобы эти «лишние силы» были несравненно меньше
сил, которые должны учитываться при испытании мо-
дели.
Зная основные характеристики настоящего «летаю-
щего судна» — ширину лодки, горизонтальную ско-
рость, начальную вертикальную скорость и угол атаки,
а также и некоторые другие характеристики, исследо-
ватель устанавливает, при каких именно условиях мо-
дель, а следовательно, и настоящая лодка будет выска-
кивать из воды — рикошетировать.
В этих исследованиях моделей, глиссирующих при
ударе о воду, сыграли большую роль работы Л. И. Се-
дова, проведшего много интересных экспериментов с
моделями.
Аэростаты и дирижабли представляют собою свое-
образные виды летающих кораблей, моделирование
которых нелегкая задача. В свое время германские
конструкторы дирижаблей — знаменитых «цеппели-
нов» — произвели испытание их моделей. Оно давало
вполне удовлетворительные результаты. Но настоящие
летающие корабли гибли один за другим. Эти аварии
поставили было под сомнение возможность создания
дирижаблей, могущих летать безаварийно. Однако в
дальнейшем, когда техника поднялась на высшую сту-
пень, постройка дирижаблей перестала быть неразре-
шимой задачей.
Этой победе конструкторской мысли немало помо-
гли модели. Группой воздушных кораблей, примыкаю-
щей к дирижаблям, являются и аэростаты — как при-
вязные, так и свободно летающие. Конструкторам и
дирижаблей и аэростатов необходимо знать в первую
очередь форму оболочки баллона и учитывать возмож-
ные изменения этой формы — целиком или ее отдель-
ных деталей. Летные качества аэростата или дирижаб-
72
ля зависят от того, насколько совершенной, с точки
зрения аэродинамики, будет форма этих кораблей лег-
че воздуха.
Прочность баллона дирижабля или аэростата — од-
на из важнейших гарантий безопасности полета: серь-
езный дефект оболочки, сказавшийся в воздухе, почти
неизбежно влечет гибель корабля. Узнав, какие воз-
можны деформации оболочек дирижабля или аэроста-
та, конструктор затем изучает, насколько прочна «об-
шивка» этих кораблей.
Прибегая к очень большим уменьшениям размеров
моделей по сравнению с размерами настоящих дири-
жаблей или аэростатов и применяя одни и те же мате-
риалы для модели, исследователь должен увеличить
удельную подъемную силу — иначе нарушается усло-
вие подобия. Модель наполняется не газом легче воз-
духа, а какой-нибудь тяжелой жидкостью: водой, гли-
церином и даже ртутью, тянущими модель вниз, рас-
пирающими ее и позволяющими быстро обнаруживать
места опасных деформаций. Конечно, модель при этом
приходится испытывать «вверх ногами», чтобы направ-
ленная вниз подъемная сила действовала по отноше-
нию к модели в том же направлении, как она будет
действовать на настоящий дирижабль.
Модели дирижаблей или аэростатов, наполненные
ртутью, получаются очень маленькими при достиже
нии необходимой удельной подъемной силы. Такие ма
ленькие модели делаются неудобными в работе при ис
следованиях. Поэтому ртуть
делей машин легче воздуха
применяется редко.
У настоящего аэростата,
наполненного легким газом,
вес оболочки по отношению
к подъемной силе направлен
противоположно весу обо-
лочки модели, так как мо-
дель испытывается «вверх
ногами». Чтобы при моде-
лировании добиться условий
подобия, к различным точ-
в качестве «газа» для мо-
Испытание модели дири-
жабля «вверх ногами».
73
кам модели прилагаются внешние силы, направлен-
ные вверх. Благодаря этому можно правильно учесть
влияние веса оболочки модели, действующего на каж-
дую ее точку, интересующую исследователя.
Путь, проделанный исследователями и конструкто-
рами от модели, летавшей по комнате подобно малень-
кой игрушке, до конструкций, испытывающихся в аэро-
динамической трубе множество раз, прежде чем нач-
нет строиться та или другая модель, был чрезвычай-
но труден. И теперь исследования моделей самолетов
непрерывно совершенствуются и усложняются. Ско-
рость, высота полета, маневренность — все это требует
отдельных опытов.
Конструируются модели герметически закрытых
кабин с искусственным климатом внутри для высотных
полетов, создаются маленькие образцы специальных ка^
тапульт, выбрасывающих людей из самолета во время
катастроф при таких скоростях, когда ни команда, ни
пассажиры сами не могут выброситься из аппарата на
парашютах. Изготовляются тщательно продуманные
типы воздушных винтов, деталей управления. Свои
требования предъявляют моторы, для которых прихо-
дится моделировать и топливо.
Сложнейшие задачи стоят перед специалистами,
добивающимися совершенства электро- и радиообору-
дования самолета. Здесь моделированию открыты
большие возможйости, и без эксперимента на умень-
шенных в несколько раз установках (а порой увеличен-
ных для наглядности) ни одна важная часть нового
электро- и радиооборудования не найдет себе места
на летающих машинах.
САМОЛЕТ-РАКЕТА
Эта машина, не имея воздушного винта, летает го-
раздо быстрее обыкновенного самолета и обещает воз-
можность полетов, казавшихся раньше фантастически-
ми. В создании самолета-ракеты громаднейшую роль
сыграли и играют модели. Трудно представить себе
появление ракетных машин тяжелее воздуха, если бы
человечество не владело искусством моделирования.
74
В 1881 году, когда родился первый в мире самолет
А. Ф. Можайского, другой русский изобретатель,
Н. И. Кибальчич, в тюремном каземате, ожидая смерт-
ной казни, составил проект летательного аппарата,
в котором движущей силой должны были служить
взрывы. Кибальчич сделал и эскиз первого в мире
реактивного самолета. Он напоминает сказочный ко-
вер-самолет.
Не один Кибальчич думал о реактивном двигателе,
не один он мечтал о чудесных возможностях, которые
этот двигатель предоставит человечеству. В 1898 году
К. Э. Циолковский, замечательный русский ученый,
впервые доказал, что о реактивном двигателе можно
не только мечтать, но и рассчитывать его.
В чем заключается принцип работы реактивного
двигателя? Чем отличается этот двигатель от обыкно-
венного? Представим себе прочный сосуд с трубой и
достаточно широким горлом. Если в этом сосуде про-
извести взрыв, газ, вытекая с большой скоростью из
горла сосуда, в то же время будет давить на противо-
положную стенку камеры. Благодаря этому весь сосуд
двинется в сторону, противоположную той, куда смот-
рят труба и горло.
Двигатель подобного типа не нуждается ни
в поршне, ни в других сложных деталях современного
двигателя внутреннего сгорания. Такой простейший
двигатель толкает обыкновенную ракету, 'изготов-
ляемую для сигнализации и для фейерверков. •
Но реактивный двигатель, несмотря на кажущуюся
простоту, стал камнем преткновения для конструкто-
ров, пытавшихся применить реактивные двигатели на
транспорте — и воздушном и сухопутном.,
Можно было бы создать целый музей моделей ре-
активных двигателей, начиная от простейших реактив-
ных и кончая современными жидкостными реак-
тивными двигателями, прямоточными воздушно-реак-
тивными двигателями, газотурбинными двигателями.
И много портретов людей, отдавших жизнь во время
постройки и испытания этих опасных моделей, увидели
бы посетители в музее, которого пока еще нигде не су-
ществует.
75
Ценнейшим материалом для строителей реактив-
ных двигателей был труд Н. Е. Жуковского «О реак-
ции вытекающей и втекающей жидкости». В этой ра-
боте Жуковский дал формулу, позволяющую вычис-
лять силу реакции струи жидкости. Затем ученый,
развивая свои идеи, вывел формулу для определения
коэффициента полезного действия струи. Пользуясь
своими формулами, Н. Е. Жуковский в 1903—1905 го-
дах разработал конструкцию воздушного термиче-
ского реактивного двигателя. Для экспериментальных
исследований ученый построил в эти же годы модель
воздушного термического реактивного двигателя.
Много потрудился над моделями реактивных са-
молетов и их двигателей создатель теории реактивно-
го движения К. Э. Циолковский. Он составил первый
проект жидкостной ракеты, для движения которой
служили не порох или другое взрывчатое вещество,
а жидкие топлива, подобные бензину, керосину,
спирту.
Занимаясь совершенно новой областью механи-
ки — ракетодинамикой, К. Э. Циолковский задумы-
вался над вопросами практического характера, напри-
мер, как безопасно для пассажиров запустить ракету
в мировое пространство, а потом опуститься на ней на
землю.
В поисках ответа Циолковский строил различные
модели кабин ракеты-самолета, в которой люди были
бы максимально защищены от ударов, от перегрузки
вследствие очень большого ускорения при отрыве от
земли. Одной из таких оригинальных моделей являл-
ся сосуд с жидкостью, в которой плавало яйцо. Бросая
сосуд с. разной высоты и под разными углами,
к. Э. Циолковский сделал вывод о ценности жидкост-
ного амортизатора для межпланетного корабля-ра-
кеты.
Первые опыты исследователей, изучавших модели
ракетных двигателей, производились вдали от жилья.
Сами изобретатели прятались либо в особых транше-
ях, либо за прочной бетонной стеной, снабженной
смотровыми оконцами. Ракетные двигатели часто раз-
рывались на мельчайшие куски. Но порою модель ра-
76
кеты вздымалась над землей. К сожалению, снаряд
почти мгновенно выходил из строя и падал.
Однако шаг за шагом на моделях преодолевались
одна трудность за другой, и самолет-ракета стал реаль-
ностью. Создатели самолетов-ракет должны были учи-
тывать, что превосходно разработанные конструкции
самолетов, испытанные в самых различных условиях,
не годились для самолетов-ракет. Понадобилось мно-
жество теоретических расчетов и опытов с моделями,
прежде чем была найдена более или менее удовлет-
ворительная форма нового самолета. Она резко отли-
чается от привычных для глаза очертаний обыкно-
венного самолета.
В 1906 году рекордом скорости самолета были
41,3 километра в час. Теперь скорость обычных само-
летов, снабженных воздушными винтами, превышает
500 километров в час. А реактивные самолеты летают,
обгоняя звук. И вот именно сверхзвуковая скорость
движения потребовала особого внимания. Граница,
отделяющая звуковую скорость от сверхзвуковой, ока-
залась барьером, о который первоначально разбива-
лись все ухищрения авиаконструкторов, старавшихся
поднять «потолок скорости» своих машин.
Сигнал о приближении к этому невидимому барье-
ру первыми получили летчики пикирующих бомбарди-
ровщиков, мчавшихся к цели со скоростью 1 000 кило-
метров час. Их самолет вдруг переставал подчиняться,
и это объяснялось тем, что пикировщик, почти достиг-
ший скорости звука, словно попадал в другую среду —
так резко менялось поведение воздуха, окружающего
машину.
Невозможность открыть причину гибели машин,
летевших с очень большой скоростью, заставила пе-
рейти к последовательным, настойчивым эксперимен-
там с различными моделями. Теоретическая основа
подобных экспериментов была заложена еще в 1902 го-
ду С. А. Чаплыгиным в труде, носящем название
«О газовых струях».
Газовые струи, возникающие у каждого тела, ле-
тящего в газовой среде, по-разному ведут себя в за-
висимости от его скорости. Если речь идет о полете
77
обыкновенного самолета, то при исследовании моделей
воздух можно считать несжимаемым. Но это верно
лишь до определенной границы. Труд Чаплыгина сделал
возможным проводить исследования моделей самоле-
тов в условиях, подобных тем, в которых оказывается
самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью.
Эта выдающаяся работа потребовала создания ги-
гантских аэродинамических труб для испытания боль-
ших моделей самолетов-ракет в натуральную величи-
ну. Она помогла находить и среды, в которых испыта-
ние аэродинамических свойств машин, обгоняющих
звук, производится проще, чем в воздухе.
Сжимаемость воздуха необходимо учитывать уже
при скоростях, превышающих 700 километров в час.
Начиная с этой скорости, авиационным конструкто-
рам приходится преодолевать трудности, которые
в свое время возникали перед создателями наилучшей
формы артиллерийского снаряда.
Когда пушечное ядро летело с такой скоростью,
что за его полетом можно было наблюдать, как за
камнем, брошенным рукой человека, пушечных дел
мастера выбрали наиболее простую для изготовления
снаряда форму — круглую. С увеличением мощности
взрывчатых веществ, с улучшением конструкции самих
пушек круглое ядро перестало удовлетворять артилле-
ристов. Несравненно лучшими оказались снаряды ци-
линдрические с заостренной головной частью. А еще
лучший эффект дали снаряды обтекаемой формы:
с заостренной головной частью и донной частью,
имеющей вид усеченного конуса.
Снаряд летит со сверхзвуковой скоростью, и части-
цы воздуха застигаются им «врасплох»: без всяких
предшествующих колебаний среды, всегда свершаю-
щихся при движении тела со звуковой скоростью.
В нее, в неподвижную массу, врезается головная часть
снаряда. Это создает большое уплотнение воздуха впе-
реди снаряда и разрежение у его донной части. «Ска-
чок уплотнения», как называется такое явление, силь-
но тормозит снаряд. Тормозят его и завихрения,
образующиеся у донной части: эти завихрения, засасы-
вающие снаряд в пустоту позади него, превращаются
78
как бы в тяжелый «хвост»,
который тело влечет за со-
бою вперед.
Острый «нос» снаряда
уплотняет меньшую поверх-
ность воздуха перед собой.
А его узкая вытянутая дон-
ная часть создает наимень-
шую зону разрежения воз-
духа позади.
Те же явления происхо-
дят и с самолетом, скорость
которого приближается к
звуковой. Поэтому он дол-
жен иметь форму, вызываю-
щую наименьшую уплотнен-
ную поверхность воздуха, в
котором самолет движется,
и наименьшие области раз-
ряжения позади.
Самолет, летящий со зву-
ковой и сверхзвуковой ско-
ростью, прибегая к грубо на-
глядному сравнению, в не-
которой мере можно уподо-
бить сверлу. Тупое, с непра-
вильно заточенными режу-
щими кромками сверло всю
энергию, приложенную к не-
му, израсходует на нагрев,
очень медленно проникая
в материал, который свер-
лят.
Огромная энергия «сверх-
звукового» самолета при не-
удачной его форме будет
главным образом расходо-
ваться на нагрев окружаю-
щей среды. Еще не найдя
идеальной формы самолета-
ракеты, звуковую скорость
Обтекание воздушными
струями тел разной формы.
удалось превысить на такой высоте, где расход энер-
гии на нагрев минимален вследствие большой разре-
женности окружающей среды.
Если посмотреть на фюзеляж современного само-
лета-ракеты, то сразу бросится в глаза его сходство
с артиллерийским снарядом, во время полета расхо-
дующим на нагрев сравнительно малую часть энергии.
У фюзеляжа вытянутая передняя часть и хорошо об-
текаемая задняя. Иначе, чем у обыкновенного самоле-
та, устроены и крылья самолета-ракеты. Сверху и сни-
зу они напоминают наконечник стрелы. Крылья
делаются тонкими и «заточены» подобно артиллерий-
скому снаряду — передняя и задняя кромки макси-
мально заостряются.
Аэродинамические свойства моделей самолетов-ра-
кет и их отдельных деталей исследуются в специаль-
ных аэродинамических трубах, в которых компрессоры
создают движение воздуха со скоростью сотен метров
в секунду, то-есть неподвижный самолет или его кры-
ло, обгоняя звук, «летит» в этой среде, обтекающей их.
Сверхзвуковые аэродинамические трубы дороги,
сложны в обращении и не позволяют производить «ма-
невров» при сверхзвуковых скоростях. Поведение струй
воздуха у крыльев, фюзеляжа или других деталей мо-
делей самолета-ракеты фотографируется специальны-
ми фотоаппаратами, делающими снимки сравнитель-
но небольшой части воздуха, в которой «движется»
модель. Поэтому некоторые вопросы, связанные с изу-
чением аэродинамических свойств моделей самолетов-
ракет, приходится решать иными способами. Напри-
мер, пользуются различными аналогиями — процесса-
ми, совершающимися с большим сходством с изучае-
мыми, но наблюдаемыми в другой среде, порою в со-
всем других условиях. В частности, исследователям
большую помощь оказывает гидравлическая аналогия.
Еще в 1912 году «отец русской авиации» Н. Е. Жу-
ковский в своем труде «Анализ между движением тя-
желой жидкости в узком канале и движением газа
в трубе с большой скоростью» обратил внимание спе-
циалистов на возможность пользоваться замечательной
аналогией. Опыты быстро показали это.
80
Когда в лабораторных бассейнах по поверхности
воды передвигали различные модели самолетов и фо-
тографировали это, получались снимки струй, очень
похожие на снимки в аэродинамических сверхзвуковых
трубах. Но так происходило только при определенных
скоростях и определенных формах деталей, буксиро-
вавшихся по поверхности воды.
Экспериментаторы столкнулись и с тем обстоятель-
ством, что волны, возникающие при движении тела по
воде, зависят от глубины водоема и связаны с тем
свойством воды, которого нет у воздуха, — капилляр-
ностью. Вследствие значительного поверхностного на-
тяжения на воде при движении тел образуются так на-
зываемые капиллярные волны — мелкая рябь, появля-
ющаяся вместе с основной волной. В воздушной же
среде передняя часть движущегося тела вызывает
только одну волну.
Обнаружив эту неприятность, связанную с испы-
танием сверхзвуковых моделей в воде, ученые попыта-
лись обойти ее, уменьшив по мере возможности по-
верхностное натяжение — причину капиллярных явле-
ний. Задачу решили химики, давшие исследователям
моделей вещества, настолько сильно уменьшающие
поверхностное натяжение воды, что с ним практически
можно было не считаться.
Но при испытании первой же сверхзвуковой моде-
ли оказалось, что, уменьшив поверхностное натяжение
воды, ученые слишком ослабили внешнюю «оболочку»
волны. Волна потеряла четкие формы, расплылась,
разбилась на ряд более мелких. Иначе говоря, нагляд-
ной аналогии между головной волной в воздухе и на
поверхности воды не было.
Тогда воде вернули ее капиллярные свойства,
а влияние мелких капиллярных волн стали уменьшать,
пользуясь моделями сравнительно больших размеров.
В этих случаях основная головная волна получается
такой большой, что мелкой рябью можно пренебречь.
Ученые обнаружили, что боковые и кормовые волны на
мелкой воде при испытании сверхзвуковых моделей
имеют отчетливое сходство с волнами, возникающими
в воздухе. А это тоже важное обстоятельство.
6 Тайны моделей
81
Особый интерес испытание моделей на поверхно-
сти воды имеет для исследования форм тех кораблей,
которые смогут летать быстрее звука на такой высоте,
где газ очень,сильно разрежен. Там тоже ударная вол-
на, возникающая перед головной частью стремитель-
но летящего тела, не имеет четких очертаний одной
резко выраженной волны.
В общем «водяная аналогия» оказывает немалую
помощь пытливым исследователям моделей самолетов,
предназначенных для полетов с огромной скоростью.
Эта аналогия дает возможность обнаруживать волны,
которые нельзя открыть, пользуясь аэродинамической
трубод. Поверхность воды позволяет обозревать очень
большое пространство, где происходят возмущения
среды при движении тела. В аэродинамической трубе
в данном случае дело обстоит сложнее.
Моделирование ракет-самолетов совсем еще моло-
до. Но достигнутые в этой области успехи сулят очень
многое. Теперь уже никто не сомневается в возможно-
сти космических полетов на кораблях «межзвездного
плавания». Но на этом пути надо преодолеть множе-
ство затруднений, и перед моделированием здесь от-
крываются широчайшие и увлекательнейшие перспек-
тивы.
Корабль, отвечающий всем требованиям межпла-
нетных путешествий, придется как-то испытать в полете,
при взлете, при посадке. Огромная модель, искус-
ственная вселенная, с «Землей», с «планетами назна-
чения» и, быть может, даже с искусственными спут-
никами Земли, на которых будет производиться «пере-
садка» для полета на удаленные планеты, не является
беспочвенной фантазией. Создание такой модели, не-
смотря на всю ее сложность, вероятно, будет одним из
важных этапов подготовки первого космического поле-
та с пассажирами — первыми разведчиками мировых
пространств.
Наши наука и техника развиваются так стреми-
тельно, что настанет время, когда создание путем мо-
делирования условий, подобных тем, которые встретит
космический корабль на своем пути, перестанет
казаться недостижимым.
82
НА РЕЛЬСАХ
Тридцать лет назад в Ленинградской физико-тех-
нической лаборатории появился необыкновенный па-
ровой котел. Его боковые стенки были из стекла, а сза-
ди в них ударял луч мощного прожектора. Это была
первая модель парового котла, построенная под руко-
водством М. В. Кирпичева. Собравшиеся научные ра-
ботники с нетерпением ждали начала опыта: откроет
он что-либо новое в недрах котла или нет? Свистя, по-
шел сжатый воздух из бака, проталкивая по трубам
модели подкрашенную жидкость. Яркий луч прожекто-
ра пронизал модель, как луч рентгеновского аппарата
проникает сквозь человеческое тело. Опытные глаза
теплотехников следили за бегом окрашенных частиц,
заменявших газы. Вот они сбились с прямолинейного
пути, беспомощно завертелись на месте: порок систе-
мы открыт, найдено место, где получается завихрение
газов.
Больше всех во время опыта волновался автор
скромной статьи, появившейся в 1924 году и называв-
шейся «О теплопередаче в паровых котлах». Уже тогда
М. В. Кирпичев высказал мысль о том, что паровой
котел можно заменить моделью и заглянуть в самые
недоступные углы машины. Только год понадобился
исследователю для осуществления своей смелой
идеи.
Скончавшийся в 1955 году академик М. В. Кирпи-
чев принадлежал к семье Кирпичевых, еще с конца
прошлого столетия начавших проводить различные
весьма сложные эксперименты с моделями. В восьми-
десятых годах прошлого столетия профессор В. Л. Кир-
пичев применял теорию подобия в строительной меха-
нике. Брат этого ученого Л. Л. Кирпичев учил артил-
леристов, как пользоваться теорией подобия, заменяя
пушки, порох и снаряды более спокойными и «удобны-
ми» для опытов объектами.
Но тепловым моделированием еще никто не зани-
мался, и М. В. Кирпичеву пришлось стать пионером
в этой труднейшей области.
«На модела-то оно получается так. А как на самом
6*
83
деле двигаются газы в водотрубном котле, в настоя-
щей тепловой установке?» — говорили скептики.
Поэтому с первых же шагов важно было доказать,
что жидкости и газы в водотрубном котле движутся
так же, как в модели, и так же происходит отдача теп-
ла. М. В. Кирпичев и ряд его сотрудников решили сна-
чала подробнейшим образом исследовать настоящие
установки. Не останавливаясь порою перед риском для
жизни, энтузиасты моделирования проводили опыты
с воздухоподогревателем, печью для нагрева слитков
металла и вертикально-водотрубным котлом. Такие
различные объекты были выбраны экспериментатора-
ми, чтобы возможно более полно и всесторонне изучить
тепловые процессы, происходящие в разных усло-
виях.
Когда-опыты с настоящими установками были за-
кончены, исследователи сконструировали модели воз-
духоподогревателя, печи для нагрева слитков и верти-
кально-водотрубного котла. Вместо пара, нагретой во-
ды и газов модели наполнялись подкрашенной водой
или холодным дымом. В любую часть установки мож-
но было заглянуть через специальные прозрачные
оконца, если вся модель не делалась целиком доступ-
ной для взора. Наблюдения и соответствующие вы-
воды, полученные благодаря опытам на моделях, мож-
но было сравнивать с результатами, полученными на
настоящих «огневых» установках или их частях.
Совпадение оказалось поразительно точным. Спе-
циалисты-скептики должны были переменить свое мне-
ние о роли моделей в изучении тепловых процессов,
в создании конструкций паровых котлов и паровозов,
экономно расходующих драгоценное топливо.
Еще и теперь паровоз — ненасытная машина: коэф-
фициент полезного использования горючего у него
очень невелик. Первыми работами М. В. Кирпичева
была заложена основа научных поисков путей повы-
шения экономичной работы паровоза. Борьба продол-
жается и по сей день.
За экономию топлива у нас успешно борются паро-
возные бригады. В этой борьбе особая роль принадле-
жит создателям новых более экономичных машин и
84
Модель одного из вариантов паровоза академика
С. П. Сыромятникова.
людям, улучшающим экономические характеристики
существующих паровозов.
Тут очень помогает научный опыт, полученный во
время эксплуатации машин. Но эксперименты на от-
дельных паровозах не позволяют делать тех широких
обобщений, которые допускаются опытами с моделя-
ми. Модель раскрывает секрет, сущность явлений,
свойственных целой группе изучаемых объектов.
Вот перед нами модель котла паровоза серии
«ФД». В ней газ заменен подкрашенной водой, а дви-
жение «газа» создается электромотором, связанным
с насосной установкой. От того, как в котле движется
газ, в немалой степени зависит экономичность уста-
новки.
Запускается электромотор. С какой же легкостью
будет двигаться «газ» — вода? Не встретит ли он где-
нибудь участков с очень большим сопротивлением, за-
держивающих движение? Так и есть! Кое-где образу-
85
ются «мертвые зоны». В одно место вода вообще не по-
падет. В другом она застаивается, как в непроточном
пруду. Эта «водяная феерия» глазам специалиста от-
крывает все тайны. Отдача тепла сгорающего топлива
в машине идет неправильно.
Но, может быть, дело можно поправить, сжигая
топливо более интенсивно? На модели такая проверка
выполняется быстро: не надо ни кочегара, ни угля. На-
жимаются кнопки — тяга уси-
ливается, и вода, изображаю-
щая газ, поступает в модель
в большем количестве, быст-
рее. Однако «усиленная под-
броска топлива» не изменяет
картины к лучшему. Только
уходящего «на ветер» топлива
становится еще больше.
Тут и сказываются громад-
ные преимущества моделиро-
Испытание модели рамы паровоза. Снимки показывают измене-
ния напряжений в раме под влиянием разных нагрузок.
86
вания: топку паровоза можно почти мгновенно пере-
делать. Свод топки — одна из главнейших ее частей.
Если он выполнен правильно, газ движется наиболее
длинным путем, хорошо перемешивается с подава-
емым воздухом и наибольшую часть тепла отдает топ-
ке, а не окружающей среде.
Конечно, надо не просто удлинять свод, а найти
наилучшее отношение его длины к другим частям.
Расчетным путем сделать это трудно, требуется очень
много времени. У модели все проще. Свод удлиняется,
меняется его наклон. Мертвые зоны, тормозящие дви-
жение газов, постепенно уменьшаются, исчезают. И на
глазах топка превращается в более экономичную, со-
вершенную.
Очень успешно были проведены и работы с моде-
лями топок паровозов серии «Л» и «Эм». Не следует
думать, что результат, как говорится, «сам дается в ру-
ки». Двадцать шесть моделей этих топок были выпол-
нены в Центральном научно-исследовательском инсти-
туте Министерства путей сообщения. И конструкция
топки паровоза «Л» улучшилась настолько, что коэф-
фициент полезного действия котла повысился на
6—8 процентов. В переводе на топливо это целые го-
ры угля!
Казалось бы, что может быть проще колосников?
Куски металла, на которых лежат груды пылающего
топлива. Но дело не так просто. Главное, что должно
обеспечивать хорошую работу колосников — это вы-
годное для горения топлива распределение воздуха по
всей колосниковой решетке.
Пожалуй, трудно придумать место менее удобное
для экспериментов, наблюдений — ведь колосники
в самом «пекле». В поисках наилучших колосников
паровозники применяли множество моделей этой как
будто несложной детали.
Моделировалась и сама среда: на колосниках не
было топлива, к колосниковой решетке подавался не
воздух, а дымовые струи, за которыми можно было
следить глазом и поведение которых можно было запе-
чатлевать на снимках.
Испытание моделей колосников дали несколько
87
неожиданные результаты. Сложные по форме тяжелые
колосники, отличающиеся различными фасонами, со-
вершенно не нужны. Лучшими являются простые кли-
нообразные колосники. Модели открыли также, что они
требуют некоторых изменений размеров. Тогда сгора-
ние топлива идет более эффективно и экономично.
Для мощного парового котла прежде всего нужно
большое количество пара — носителя тепловой энер-
гии. Уже давно открыт способ «накачивания» пара
тепловой энергией — для этого пар перегревается,
температуру его повышают до 500 градусов и выше.
Чем больше пара направляется в пароперегрева-
тель, тем труднее последнему справляться со своей за-
дачей. Влажность в пароперегревателе начинает все
повышаться, температура понижается, и в результате
всего этого паровоз работает хуже, неэкономично. За-
манчивый выход из создавшегося положения — созда-
ние газового паросушителя, располагающегося в дымо-
вой коробке паровоза.
Еще до того, как пар поступает в обыкновенный пе-
регреватель, он направляется в газовый паросушитель
и там подсушивается теплом уходящих в атмосферу
топочных газов. Сейчас уже многие паровозы имеют
подобные газовые паросушители. Но как работают эти
установки? Можно ли их улучшить? На моделях про-
верить действие новых сушителей пара несложно.
Важно было установить, как применение сушителей
действует на сопротивление, которое на своем пути
встречают пар, направляющийся в пароперегреватель,
и топочные газы, уходящие в атмосферу.
Сделав прозрачную модель газового паросушителя,
также установленного в прозрачной дымовой коробке
паровоза, исследователи пустили в модель воздух,
подкрашенный дымом. Там, где сопротивление было
небольшим, воздух шел свободно, но в «трудных ме-
стах», где образовывались завихрения, дым сгущался
и они четко выделялись на общем более прозрачном
фоне.
Изменяя размеры паросушителя, удалось добиться,
чтобы таких «затемнений» было меньше всего и чтобы
они стали прозрачнее. После этого новые газовые па-
88
росушители с успехом нашли применение на сотнях
паровозов.
В темноте ночных полей мчится железнодорожный
состав. И вдруг к небу вздымается султан искр, словно
огненная грива сказочного дракона. Красивое, эффект-
ное зрелище! Но какими бедами грозит оно! В сотни
миллионов рублей обходятся искры, вылетающие из
труб паровозов и поджигающие хлеба, леса. Поэтому
очень важной деталью паровоза, ведущего состав сре-
ди сухих полей, среди лесов, является искрогаситель.
Когда-то на паровозах не применялись искрогасители,
и горящие частицы топлива, вырывающиеся из трубы,
постоянно вызывали опустошительные пожары. Но и
теперь еще проблема не решена полностью.
Чтобы найти искрогаситель наилучшей формы, со-
ветские паровозники начали строить модели. «Искра-
ми» служили твердые частички, плававшие в жидкости
или летевшие в газе. Сосуды, в которые они помеща-
лись, играли роль искрогасителей. Как всегда в по-
добных случаях, путь твердых частиц запечатлевался
на фотоснимках.
После многих опытов для паровоза «СО» был най-
ден показанный на ри-
сунке тип искрогасите-
ля. Не ухудшая усло-
вий работы топки, это
приспособление значи-
тельно уменьшает ко-
личество искр, проры-
вающихся сквозь все
преграды.
Паровоз плохо ис-
пользует топливо, сжи-
гаемое в нем. Поэтому
чем дешевле горючее,
попадающее в топку
«стального коня», тем
выгоднее идет эксплуа-
тация железных дорог.
Но, конечно, дешевиз-
на топлива не должна
Лабораторный искрогаситель па-
ровоза.
89
снижать технических показателей машины. Угольная
пыль как раз и относится к таким горючим.
Использование угольной пыли на паровозах очень
важно, оно открывает путь в паровозную топку спе-
циальному низкосортному топливу. Долгое время это
топливо давало плохой эффект, • и железные дороги
всячески стремились избавиться от него. Модели по-
могли открыть секрет угольной пыли, найти причины,
из-за которых пылевидное горючее причиняло большие
хлопоты, а пользу приносило незначительную.
Чтобы установить это, пыль не надо было сжигать.
Но зато нужно было провести множество опытов на
прозрачных моделях, показывающих, как движутся
угольные частицы, где они оседают, какая часть из них
уносится бесцельно. А сколько труда понадобилось,
чтобы узнать, как движутся пылинки круглой формы
и как меняется их полет, если им придавать неправиль-
ные очертания или сделать в виде кирпичиков, куби-
ков!
Методы подобия позволяли заменять пылинки угля
материалом, из которого более удобно получать части-
цы строгой геометрической формы и заданных разме-
ров: в дело шли, например, свинец и стекло.
Как показали опыты на моделях, качество пылевид-
ного топлива зависит от конструкций установки, сор-
тирующей и подготовляющей пыль, то-есть дающей
частицы определенного размера и преобладающей
формы. Испытания убедили в особенной ценности так
называемых пародинамических мельниц, выпускающих
угольную пыль высокого качества.
Мощность паровоза со времени выхода первой ма-
шины на рельсы возросла более чем в 1 500 раз. Коэф-
фициент же полезного действия хотя и повысился, но
далеко не в той же пропорции. 4—6 процентов горю-
чего в паровозе сжигаются с пользой, а более 90, что
называется, «выбрасываются на ветер». Один процент
экономии топлива для паровозов в нашей стране со-
ставляет около 500 тысяч тонн угля в год.
Поэтому колоссальное значение приобретает созда-
ние новых, более экономичных тепловозов и электро-
возов с высоким коэффициентом полезного действия.
90
Исследователи, моделируя с этой целью детали
тепловозов и целые машины, вместе с тем ведут и
большие по размаху опыты на работающих теплово-
зах. Сравнение результатов, полученных при модели-
ровании и во время опытов на действующих настоящих
машинах, помогает ученым и инженерам в создании
новых конструкций тепловозов и электровозов.
Тепловозы и электровозы получают все большее
распространение на железных дорогах. Это наиболее
совершенный вид современных тяговых машин. У них
высокий коэффициент полезного действия; за тепло-
возами и электровозами будущее.
МОДЕЛЬ И АВТОМОБИЛЬ
Человеку, не знакомому с процессом создания ново-
го автомобиля, может показаться удивительной боль-
шая роль, которую здесь играет художник, художник-
конструктор и модельер. Модель в ее первом прибли-
жении к «идеалу», который рисуется инженеру-конст-
руктору, обязательно проходит руки художника. Это,
в сущности, понятно. Современный автомобиль не
только машина, но и произведение искусства — своего
рода скульптура, поражающая изяществом форм.
Работу над новой машиной начинает инженер-
конструктор. Он, соответственно техническим требова-
ниям, определяет основные технические данные маши-
ны и сообщает их художнику для наброска первого
эскиза. Если эскиз удовлетворяет и художника и конст-
руктора, из пластилина делается модель в 7ю вели-
чины.
Она устанавливается на специальном станке, позво-
ляющем при помощи игл с делениями «прощупать» все
основные размеры машины, по которым можно изго-
товить чертежи модели. По ним в модельном цехе отли-
вается гипсовая болванка. Это образец, проходящий
экспертизу специалистов и получающий ту или другую
оценку.
Модель переделывается, пока не будет признана
удовлетворительной. Только тогда начинается работа
на так называемых плазах — больших листах фанеры,
91
служащих для изготовления «деревянных чертежей»
в размерах натуры.
В плазы могут вноситься любые изменения, но лишь
до тех пор, пока фанеру не покроют лаком. Тут уже
модель находится «под охраной»: конец поискам луч-
ших решений, экспериментам!
Из клена или липы делается мастер-модель, буду-
щий автомобиль, только весь деревянный. Изменения
здесь не допускаются, потому что мастер-модель слу-
жит для изготовления необходимых матриц, пуансо-
нов — словом, всех деталей, нужных для того, чтобы
деревянный автомобиль превратился в металличе-
ский.
Когда мастер-модель примет государственная ко-
миссия, выпускаются два-три первых образца автомо-
биля. Их тщательно сверяют с мастером-моделью и
затем начинают дорожные испытания.
Каждая новая машина проходит настоящую пытку
по строго разработанной программе. Много испытаний
приготовлено ей на специальной территории со всеми
препятствиями, которые автомобилист может увидеть
собранными вместе только в кошмаре. Машина взби-
рается на крутой подъем по очень плохой грунтовой
дороге. Почти тут же она попадает в разъезженные,
наполненные водой и густой грязью колеи. Потом ее
ждут каменистые ухабы, спуск по скользкой поверх-
ности.
Обычно машины с честью выходят из всех испыта-
ний, потому что одновременно с изготовлением модели-
болванки идет изготовление наиболее ответственных
моделей-деталей. Они выполняются в уменьшенном
масштабе, но в строгом соответствии с оригиналом.
Особенно суровую школу проходит мотор.
При изучении модели двигателя большую помощь
оказывает кино. Сделав прозрачную установку, конст-
рукторы хотели запечатлеть на кинопленке работу
двигателя. Когда в лаборатории академика Чудакова
осуществили такую сверхскоростную киносъемку, ин-
женеры обнаружили, что камеры сгорания газов —
настоящие расхитители горючего. Они работают
с пониженным коэффициентом полезного действия.
92
Моделирование автомобиля:
1 — пластилиновый автомобиль, 2 — точное измерение размеров модели для изготовления шаблонов, З—чертеж на плазу, 4—
гипсовая модель натуральных размеров, 5— утверждение модели, 6 — мастер-модель из дерева.
У каждой машины есть, так сказать, «скелет», на
который падает наибольшая доля работы. От него зави-
сит прочность всей машины. Скелет автомобиля — его
шасси. Это рама вместе с двигателем и другими меха-
низмами. Шасси требует тщательного моделирования.
При этом открываются самые различные пороки маши-
ны: неудачная подвеска колес,^ плохое использование
габаритов, малая маневренность.
Когда автомобиль только создавался, его первые
конструкторы шли от готовых «шасси» — всевозмож-
ных колясок и повозок — и все свои силы сосредоточи-
вали на том, чтобы чудесная машина ходила «сама»,
без лошади.
Много лет понадобилось автомобилю, чтобы приоб-
рести вид современной машины. Весьма медленно авто-
мобиль отходил от своего предка — коляски, в которую
запрягалась лошадь. Это отчасти объясняется тем, что
моделированию кузова и шасси не уделялось достаточ-
ного внимания. Даже ветровое стекло, без которого
нельзя представить себе современной автомашины,
долго не вводилось в конструкцию новых автомобилей.
Но возраставшая скорость автомашин настойчиво
требовала поисков новых форм машин, далеких от вы-
сокой старомодной коляски. Пришло на помощь моде-
лирование. На дорогах мира вскоре появились первые
машины, уже совсем не похожие на своих предков, —
низкие и узкие.
Постепенно скорость новых машин росла и достигла
такого уровня, что стали играть роль и те невидимые
воздушные препятствия, на которые наталкивался авто-
мобиль плохо обтекаемой формы. Тогда его модели на-
чали продувать в аэродинамических трубах. Это оказа-
лось особенно важным для гоночных машин. Их весь-
ма странные на первый взгляд очертания—плод долго-
го испытания моделей в аэродинамических трубах.
С помощью моделей были получены и наиболее
рациональные формы для грузовых машин. Они теперь
превратились в важнейший вид механических труже-
ников, на которых человек возложил столько разнооб-
разных забот, сколько не достается на долю ни одной
машине.
94
Быстро за последние годы идет специализация авто-
мобиля-грузовика. Путем моделирования нашли кон-
струкцию тяжеловоза-самосвала, незаменимого на
строительствах.
На маленькой модели был впервые открыт секрет
превращения автомобиля в вездеход. Модель, берущая
приступом крутой склон «игрушечной» дороги, беспо-
мощно скользит и сползает вниз, пока ведущими яв-
ляются только два колеса. Но вот привод сделан на
все четыре «ноги» крошечной машины — и она взби-
рается по очень крутому подъему.
Получив в свое распоряжение достаточно мощный
источник энергии, который собственным ходом может
быстро отправляться куда угодно, инженеры с большим
энтузиазмом занялись моделированием механических
кранов, лопат, метел, леек. Сколько усилий конструк-
торов понадобилось, чтобы построить сложный меха-
низм для автомобиля, убирающего снег на улицах го-
родов!
Горка просеянного песка на листе бумаги — это снег.
На куске фанеры — целый набор различных захватов,
приводимых в движение пальцами конструктора. Вот
захваты, похожие на клешни гигантского краба, под-
гребающего к своему рту все попадающееся на дороге.
А дальше уже проще — конвейер, труба, направляю-
щая подхваченный снег в грузовик. Модель снегоочи-
стителя готова.
Как быстро убирают улицы автомобили-подметаль-
щики, а первая их конструкция была весьма неудачна:
из-под ее колес иногда в обе стороны разлетался мусор.
Инженеры придумали, как убирать улицы при помо-
щи автомобиля-пылесоса. Модель его уже создана
в Ленинграде. Такое устройство меняет характер убор-
ки улиц. Машина не поднимает в воздух мельчайшую
пыль, а всасывает ее мощным «хоботом».
Трудно хотя бы перечислить все способы использо-
вания автомобиля в народном хозяйстве, где приме-
няются сотни типов различных машин. В их создании
большую помощь оказало моделирование.
ВЛАСТЬ НАД ЗЕМЛЕЙ
ОТ ЛОПАТЫ ДО НАПРАВЛЕННОГО ВЗРЫВА
-z	ыл0 Время, К0Гда интереснейшие от-
г\ крытия как будто сами только и ожи-
л	дали, чтобы кто-нибудь наткнулся
на них, сделал их достоянием чело-
вечества. Важнейшие открытия свя-
зывались тогда с именами людей,
имевших подчас весьма слабую
научную подготовку, в сущности
не специалистами. Теперь дела в этом
отношении обстоят иначе. Наука и
техника ушли так далеко, что открытия и изобретения
требуют очень долгой и упорной работы. Кропотливый
труд, глубочайшее проникновение в суть вопроса, а не
случайное «озарение», — вот что в наше время дает
человеку ключ от «двери тайн». И научного подвига
здесь гораздо больше, чем в возможности с налета
совершить нечто необычное.
Вот машина или ее деталь, изученные, исследован-
ные. Дальнейшее их усовершенствование или развитие
уперлось в препятствие, которое, по утверждению авто-
ритетнейших специалистов, убрать нельзя.
Но «капля долбит камень не силой, а непрерыв-
ностью падения», говорит латинское изречение. Повсе-
дневная, как будто такая будничная, работа над
моделями машины или ее частей постепенно наталки-
вает мысль исследователя на правильный путь, откры-
вающий то новое, что десятилетиями не замечали
96
другие специалисты, трудившиеся над этим же вопро-
сом.
История покорения воздушной стихии, морей и
океанов овеяна романтикой подвига, риска. Покоре-
ние земли, начавшееся с тех пор, как в нее врезался
первый камень, обточенный человеком, раньше счита-
лось только тяжким трудом.
В старых учебниках геологии, в главах о постепен-
ном изменении лика земли, упоминаются вода, ветер,
ледники, растения, различные роющие животные и
даже земляные черви. А о человеке — ни слова. На
лекциях тех времен говорили студентам, что лопата и
самые примитивные орудия всегда будут главными
приспособлениями при любых землеройных работах,
ибо земля — особый материал, не поддающийся расче-
там, необходимым для создания «грызущих» ее машин,
для их эффективного использования.
Насколько конструирование орудий, режущих зем-
лю, представляло сложную задачу, можно судить по
тому, что некоторые специалисты и до сих пор считают
опыт единственно верным способом создания новых
типов машин, наиболее подходящих для данных усло-
вий. Теорию они здесь называют бессильной.
Когда конструируется станок, например, для реза-
ния металла или же дерева, конструктор точно знает
свойства обрабатываемого материала и приноравливает
к ним инструмент и другие детали станка. Каждая
землеройная машина в том или другом виде представ-
ляет «станок», но обрабатываемый им «материал» от-
личается крайним непостоянством. Пройдут дождь,
снег, резко понизится окружающая температура —
и условия работы такой машины сейчас же меняются.
На расстоянии нескольких десятков метров друг от
друга в земле могут встретиться и песок, и глина, и
камни.
Довольно долго некоторые конструкторы утвержда-
ли, что, создавая землеройные машины и главным об-
разом их основные детали, надо пользоваться универ-
сальной «моделью грунта» — сухим песком. Песок
однороден, свойства его можно учесть, можно даже
намочить его, если придет фантазия изучать работу
7 Тайны моделей
97
машины в более тяжелых условиях. А уж потом, когда
будет готов опытный образец, выполненный по первому
наброску, можно усовершенствовать ту или другую
часть машины, удачно справлявшуюся с песком, но
плохо работающую на тяжелом грунте.
Такие взгляды на создание землеройных машин не
нашли поддержки у передовых конструкторов. При мо-
делировании экскаваторов, горных комбайнов и других
землеройных машин они всегда опирались на опыты,
проводимые в условиях, близких к натуре.
Современные мощные машины дают человеку власть
над землей, позволяют быстро добираться до слоев
драгоценной нефти, до черных скал угля, миллионы лет
скрытых под огромной толщей пустой породы.
Грандиозные машины построены в Советском Союзе
для рытья земли. Они подавляют своей производитель-
ностью, величиной, совершенством. Появление подоб-
ных машин без моделирования было бы чрезвычайно
затруднено.
Модели позволили установить, что вибрация — дро-
жание грунта — в месте его выборки очень облегчает
погружение ковша. Специальные вибраторы, способ-
ствующие разрушению грунта, уже с успехом приме-
няются при различных видах землеройных работ.
Но резание — лишь часть задачи, стоящей перед
конструкторами землеройных машин. Если спросить че-
ловека, хотя бы раз копавшего землю лопатой, что
в этой работе труднее всего, он не сможет ответить.
Нелегко вонзать лопату в землю, трудно нести ее с
грузом, трудно отбрасывать вынутый грунт в сторону.
Землеройная машина, в сущности, «испытывает» на
себе то же самое. Ковш должен погрузиться в землю,
потом поднять груз и отнести его куда-то в сторону.
При выемке грунта машинами лишь около 17 про-
центов энергии тратится полезно', 83 процента состав-
ляют различного рода потери. При этом существует
огромный разрыв между мощностями, необходимыми
для врезания в грунт и для переноса его. Груз земли,
покоящийся в ковше, например, экскаватора
«ЭШ-14/65», чрезвычайно невелик по сравнению с ве-
сом деталей, участвующих в его переброске.
98
Лауреат Сталинской премии доктор технических
наук профессор Н. Г. Домбровский образно сравнивает
весь этот процесс с работой человека, переносящего на
лопате всего 1,5 килограмма земли. Но массивность
деталей экскаватора — чистый вес ковша 20 тонн —
необходима при врезании ковша в землю. Без этого
нельзя было бы и создать замечательную машину,
заменяющую множество землекопов, годную для ра-
боты в любых, самых тяжелых условиях.
Перевозка грунта, выброшенного мощными земле-
ройными машинами, часто обходится раза в четыре
дороже, чем само резание земли, подъем ее ковшами
и перенос в сторону.
Как же обойти такое затруднение?
Сама природа подсказала одно из решений: вода
рек и ручьев, размывая грунт, уносит его в виде раз-
мельченных легких частиц. Опыты на моделях, повто-
ряющих этот несложный процесс, привели к созданию
принципиально новых землеройных машин: землесосов.
В машинах типа землесосов транспортировка земли
происходит как продолжение единого процесса: грунт
разрушен, размельчен и вместе с водою направлен
к месту укладки по трубе, являющейся частью земле-
соса. Земснаряд — незаменимая машина, отличающая-
ся удивительно высокой производительностью. Но и
здесь неспокойный ум инженера-конструктора находит
«слабое место», требующее изучения: грунт, переме-
щаемый в трубе земснаряда, составляет ничтожную
долю всего груза, текущего по трубе. Воды примерно
в десять раз больше!
Новые поиски, новые модели, и вот появляется уди-
вительное сооружение, создать которое помогли «уголь-
щики», строители машин для добывания угля
открытым способом. Модель этой установки была пред-
ставлена в 1953 году на Выставке китайской промыш-
ленности в Москве.
Центральная деталь модели — мост на высоких
опорах. По этому мосту проходит конвейер (в натуре
он обычно делается длиною в несколько сот метров),
сразу выносящий породу далеко от места выработки.
На главный конвейер, расположенный на ферме моста,
7*
99
земля подается вспомогательными конвейерами, уста-
новленными рядом с мощными экскаваторами. Таким
образом, нагрузка роющего механизма здесь ограничи-
вается целесообразным минимумом: ковш экскаватора
захватывает пустую породу и сейчас же высыпает ее
на ленту конвейера.
Бесчисленные опыты с моделями дали возможность
правильно и целесообразно расположить все сложные
механизмы, участвующие в согласованном, ритмичном
процессе добывания угля, по транспортно-отвальной
системе, созданной советскими специалистами.
Но эта система годится не только для угля, ее
широкое использование в разных вариантах дает пора-
зительные результаты. Есть у нас» уже машины, являю-
щиеся как бы звеньями между техникой будущего и
сегодняшнего дня. К таким сооружениям относится
машина «Д-264».
Еще недавно «Д-264» был только рисунком. Потом
маленькой моделью, чертежами. И вот модель превра-
тилась в дорожный диагональный гигантский грейдер,
созданный коллективом Осипенковского завода дорож-
ных машин вместе с конструкторами Всесоюзного
научно-исследовательского института Министерства
строительного и дорожного машиностроения.
Целая гора земли — 2 тысячи кубических метров
в час — срезается и тут же перебрасывается на новое
место на расстояние почти в 50 метров. Видишь это, и
чувство гордости охватывает тебя, гордости за совет-
ских людей, которым под силу решение такого слож-
ного, трудного задания. «Д-264» — начало новой,
интересной страницы в истории землеройных машин.
В гигантских шагающих экскаваторах легко разгля-
деть черты обыкновенного экскаватора, усовершен-
ствованного и увеличенного во много раз. У земснаряда
очень велика «надстройка», непосредственно не уча-
ствующая в рытье земли: тут прежде всего видишь
довольно большое судно, в котором землесосный меха-
низм составляет лишь часть целого. «Д-264» представ-
ляет механизм, в котором чрезвычайно обнаженно
демонстрируется принцип, лежащий, в основе новых
землеройных машин: гигантский режущий орган впи-
100
вается в землю, и грунт тотчас перебрасывается в на-
значенное место без перегрузки, без участия других
машин.
Диагональный грейдер-элеватор, как полностью
называется новая машина, работает гигантским «ру-
банком» — тремя ножами, срезающими стружку земли
толщиною в 10—60 сантиметров и шириною от 0,5 до
3 метров. Срезанная земля попадает на транспортер,
с которого она ссыпается на отвальный мост, имеющий
свой собственный транспортер длиною в несколько де-
сятков метров.
Грейдер-элеватор за один час работы может загру-
зить железнодорожный состав в 50 вагонов. Машина
уже работает. Успешное ее испытание доказывает целе-
сообразность создания целого класса землеройных
машин — и очень больших и сравнительно малых. Их
общим признаком должно служить самое непосред-
ственное соседство механизмов для срезания грунта
и переброски его, подача земли прямо с ножа на
транспортирующее устройство.
Такие машины пригодны для постройки каналов,
водоемов, котлованов, плотин, насыпей. С их помощью
можно планировать дороги и открытым способом до-
бывать уголь и другие полезные ископаемые.
Производительность новых машин может быть до-
ведена до цифр, кажущихся сейчас фантастическими.
Если соорудить мост длиною в 500 метров и снабдить
машину соответствующими мощными фрезами, то
производительность такого землеройного гиганта
в 10—12 раз превысит производительность знаменитого
шагающего экскаватора «ЭШ-14/65».
Плодотворная идея, впервые решенная на моде-
лях, — вплотную приблизить друг к другу ножи и транс-
портер — уже сейчас породила интереснейшие проек-
ты. В. И. Платов работает над моделями машины,
мощными стальными челюстями откусывающей боль-
шие куски грунта, которые целыми, словно отрезанные
равные куски пирога, тут же подаются на транспортер.
Кандидат технических наук В. С. Смирнов дал со-
вершенно новую идею транспортера — «воздушного»,
который может успешно работать вместе с машиной
101
В. И. Платова. Это транспортер-катапульта. Грунт
в нем размельчается и движется с большой скоростью—
25 метров в секунду. Благодаря этому из отверстия
трубы транспортера земля выбрасывается сплошной
струей на расстояние до 50 метров. Сила падения при
этом так велика, что грунт ложится плотным, трамбо-
ванным слоем и не требует последующего разравни-
вания бульдозером или другой машиной.
Сейчас эти машины мы можем увидеть лишь в мо-
делях. Но конструкторы успешно преодолевают труд-
ности в создании новых машин, и скоро замечатель-
ные новые механизмы станут действительностью.
Как ни совершенна любая землеройная машина, дей-
ствие ее сравнительно медленно. А порою нужно с пре-
дельной быстротой «сдвинуть гору» с места, перегоро-
дить реку или убрать огромное препятствие с ее пути.
В этих случаях на помощь приходит «механизм», ли-
шенный каких-либо деталей, расходующий мгновенно
чудовищную мощность, — взрыв.
При этом слове читателю представляется хаос об-
ломков, бесформенное углубление в земле. Но это не
так. Взрывы — эти разрушительные силы — можно
заставить действовать в определенном направлении:
рыть каналы или насыпать плотины.
Взрыв сравнительно легко поддается изучению на
моделях. Уже весьма давно и плодотворно модели взры-
вов изучаются даже под микроскопом. Ничтожные
количества взрывчатых веществ, помещенные на спе-
циальную подкладку, взрываются, и произведенное
«разрушение» — микроскопическая воронка — иссле-
дуется при мощном увеличении.
Учитывать все сложные явления, с которыми при-
ходится сталкиваться при действии взрывной волны,
пользуясь расчетными формулами, еще нет возмож-
ности. Иначе говоря, теоретические расчеты не всегда
достаточно точно совпадают с явлениями на практике.
Тем ценнее моделирование, так как оно точно отражает
явление взрыва, только в ничтожно малых масштабах.
Экспериментальные работы в Советском Союзе дали
возможность найти ряд необходимейших теоретических
формул для расчета, как взрывы действуют в земле
102
и в воде. Основной критерий
подобия, который необходи-
мо знать, получен Н. А. На-
седкиным.
При обычном моделиро-
вании взрыва подобия меж-
ду моделью и натурой мож-
но добиться, только увели-
чивая плотность материала
модели во столько же раз,
во сколько уменьшается сво-
бодная энергия взрывчатого
вещества, чтобы скорость
разрушительного действия
была соответствующей и в •
модели и в натуре.	$
Умело пользуясь моде- -
лированием, советские уче- .
ные добились выдающихся

й
успехов В Применении на- Направленный взрыв.
правленных взрывов.
Взрывные газы в артиллерийском орудии не пре-
вращают в осколки его ствол, а толкают снаряд в опре-
деленном направлении, потому что в орудии использо-
ваны все условия для создания направленного взрыва.
Своего рода «ствол орудия» создается и при направ-
ленном взрыве земли.
Предположим, надо построить канал, выбрасывая
грунт на правый берег. Взрывы начинают справа, вдоль
всего участка трассы. После первых взрывов образует-
ся длинная траншея, и ее левая сторона будет «линией
наименьшего сопротивления» для сил следующих
зарядов, лежащих в земле будущего канала. Им теперь
легче всего выбрасывать землю направо, так как в этом
направлении за сравнительно тонким слоем грунта пу-
стота: отверстие «дула землемета».
Таким образом, для получения направленного дей-
ствия взрывов заряды надо расположить один за дру-
гим и взрывать последовательно. Тогда каждый преды-
дущий взрыв будет служить вспомогательным для сле-
дующего за ним.
103
На реке Кассан-сай у города Намангана надо было
запрудить реку, чтобы получить большое водохрани-
лище. 400 тонн взрывчатого вещества позволили
с удивительной быстротой создать водохранилище
емкостью в 50 миллионов кубических метров.
В 1949 году при постройке одной электростанции
требовалась прокладка канала объемом примерно
в 240 тысяч кубических метров. При помощи двух
экскаваторов, которыми располагало строительство,
капал можно было построить года через два. Взрывной
метод сократил срок постройки более чем в шесть раз.
В 160 километрах от Красноярска есть большое ме-
сторождение угля, залегающее на сравнительно незна-
чительной глубине. Удаление пустой породы с пластов
этого месторождения проще всего было произвести
посредством направленного взрыва. Взрывы — их было
произведено четыре — выбросили 391 тысячу кубиче-
ских метров земли и открыли угольные пласты. Выем-
ка получилась около 20 метров глубиною, шириною до
125 метров и длиною 400 метров. Не трудно предста-
вить, сколько машин, сколько усилий потребовалось бы
для выполнения этой работы без участия взрывчатых
веществ!
Направленные взрывы уже послужили в нашей стра-
не для постройки ряда плотин, а также и других соору-
жений, требовавших переброски больших количеств
земли.
Есть еще в этом труднейшем деле не мало момен-
тов, нуждающихся в изучении, в совершенствовании.
Но уже теперь направленный взрыв является одним из
чрезвычайно интересных и имеющих большое будущее
методов выемки грунта.
Все расширяется и расширяется круг сил, приме-
няемых у нас для преобразования лика земли. И не-
далеко то время, когда для земляных работ будет
применена новая гигантская сила — атомная энергия.
Какая пропасть разделила в нашей стране земле-
копа прошлого и настоящего! Знаменитый врач
С. П. Боткин однажды сказал в больнице молодому
землекопу, смиренно удивлявшемуся, куда делось его
как будто неизносимое здоровье:
104
— Да разве ты только руками копал землю? Сердце
твое делало главную работу при каждом движении
лопаты. Вот оно и устало...
Теперь землекоп, раньше обреченный всю жизнь
работать лопатой, стал хозяином разнообразнейших
машин. Все легче и легче делается его труд, превра-
щаясь в одну из романтических профессий людей, ак-
тивно участвующих в преобразовании земли.
Но преобразование лика земли требует изучения
на моделях не только землеройных орудий. Огромное
значение имеют здесь модели тех грандиозных соору-
жений, которые возникают на месте, где еще недавно
привольно текла ничем не стесненная река или рассти-
лалась голая пустыня. Создание таких моделей —
сложнейшая и благороднейшая задача.
В ГОРАХ АРМЕНИИ
Для быстрых предварительных опытов ученые при-
бегают к постройке «микромоделей», иногда умещаю-
щихся на письменном столе. Но некоторые явления,
происходящие в реке, необходимо изучать на моделях
максимального размера, подавать на них настоящие
потоки воды. Эти модели, лишь в десятки раз умень-
шающие грандиозные сооружения, очень дороги, слож-
ны, и их постройка требует высокой квалификации и
строителей и исследователей.
Одни из моделей служат для изучения волн, дру-
гие — течений, третьи — движения воды в глубинах
грунта, стремящейся обойти гидротехническое сооруже-
ние, создать свободный путь, минуя преграду, выстроен-
ную людьми.
В реках, водоемах, каналах — всюду, где есть
открытая водная поверхность, возникают волны. Уче-
ным было известно, что когда плотина у Куйбышева
перегородит Волгу, мощная река разольется и обра-
зует море шириною местами до 40 километров, а длиною
в 560 кило-метров. Сталинградское море при длине
свыше 500 километров шириною будет в 20—30 кило-
метров. Объем огромного Цимлянского моря 20 куби-
ческих километров.
105
Изучение волн существующего моря — нелегкая за-
дача. Еще труднее предсказать, какие волны будут
катиться по поверхности моря, дно которого пока
представляет собою сушу. Однако, зная размеры по-
верхности моря, его глубину, уклон и рельеф дна,
скорость, направление и продолжительность ветров,
можно определить максимальную высоту волн, никогда
даже не видев ни океана, ни моря. Так для океанских
волн найден предел — 16 метров. Эта максимальная
волна достигает высоты примерно в трехэтажный дом.
Не всегда высокие волны — самые опасные. «Ма-
ленькое» Азовское море славится особенно сокруши-
тельными волнами. Вследствие небольшой глубины
там возникают крутые волны, наносящие кораблям и
береговым сооружениям таранящие удары, в то время
как на пологие, хотя и более высокие волны корабль
поднимается сравнительно спокойно.
В Морском гидрофизическом институте Академии
наук СССР и во многих других научно-исследователь-
ских организациях велись и ведутся работы по иссле-
дованию волн на поверхности воды, стиснутой бетоном.
Волны изучаются по-разному. В больших «моделях
моря» — волновых бассейнах — исследуется не только
возникновение волн, рост их, достижение максимума
и постепенное уменьшение при изменении силы и на-
правления ветра.
В этих бассейнах строятся и гидротехнические со-
оружения, которым угрожают волны, исследуется
защита посредством волнорезов. Чтобы воспроизвести
полную картину работы волн, в воду добавляются твер-
дые вещества, например песок, образующий опасные
наносы.
В нашей стране создана остроумнейшая установка
для получения волн, обрушивающихся на модели: вол-
новые лотки, в которых движущийся щит или ныряло
могут вызвать появление любых волн — глубоковод-
ных, мелководных, штормовых.
По Цимлянскому морю уже бегут волны. В самую
свежую погоду их высота не больше предсказанной
исследователями, изучавшими волны на моделях Цим-
лянского моря, — 3—3,5 метра.
106
Но и такие, сравнительно небольшие «морские»
волны могут причинять различные разрушения. В вол-
новой лаборатории Московского инженерно-строитель-
ного института имени Куйбышева на моделях долго
изучалось действие ударов волн на береговые откосы
разной формы. В результате этих исследований был
найден новый тип крепления откосов. Он оказался
настолько хорошим, что модель послужила образцом
откосов на Волго-Доне.
Изучены волны, вызванные не стихией, а действием
мощных гидротехнических устройств. Например, при
шлюзовании судов.
Куйбышевская плотина поднимает волжскую воду
более чем на 30 метров по сравнению с поверхностью
ниже плотины. Вода, поднятая на эту высокую ступень
«водяной лестницы», рассчитанной для «шагания»
вверх и вниз больших судов, должна выпускаться
в нижний шлюзный канал.
Чтобы не задерживать судоходства, весь процесс
шлюзования необходимо производить очень быстро.
Вода, устремляющаяся огромной массой в шлюзовую
камеру, может поднять волны такой высоты, что они
станут бросать друг на друга суда, находящиеся в ка-
мере, или с большой силой будут ударять их о стенку
шлюза.
Быстро льющаяся вода, естественно, вызывает в ка-
нале волны, бегущие до нижнего конца и отражающие-
ся обратно. В канале меняется и уровень воды и ско-
рость ее течения. Их колебания могут при этом
сказаться на судах, идущих вверх и вниз по Волге.
Величина волн, образующихся в шлюзе, и их опасность
для судоходства зависят от размеров шлюзного канала.
К началу работ у Куйбышева мы уже располагали
богатейшим опытом эксплуатации Беломорско-Балтий-
ского канала, канала имени Москвы, на которых есть
огромные «водяные лестницы». Но эксперименты на
действующих шлюзных путях, конечно, невозможны,
да и, кроме того, необходимо, чтобы исследователи
воспроизводили все условия, подобные тем, в которых
должна происходить эксплуатация шлюза у Куйбышев-
ской плотины. Поэтому для изучения волн в районе
107
Куйбышевского гидроузла было создано много моде-
лей.
Одна из очень интересных моделей Куйбышевского
гидроузла сделана Ереванской гидролабораторией
в Норке, пригороде Еревана.
Человек, впервые увидевший ереванскую модель
Куйбышевского гидроузла, не сразу сообразит, что
перед ним только подобие гидротехнической установ-
ки, а не действующее сооружение. Огромная бетониро-
ванная площадка размером в 4 тысячи квадратных мет-
ров прорезана каналом и шлюзами. Подпирая воду,
высятся водосбросная и земляная плотины. На стол-
бах тянутся провода освещения и сигнализации. Здесь
в уменьшенном виде представлены и русло Волги и
главнейшие части Куйбышевского гидроузла.
О потребностях в воде этого маленького подобия
волжского гиганта можно судить по размерам водопро-
вода. Из Норского канала к модели тянется трубопро-
вод длиною в 800 метров и диаметром почти в полмет-
ра. Водноэнергетический институт Академии наук
Армении ведет здесь под руководством профессора
И. В. Егиазарова важнейшие исследования колебаний
в воде, волн с неустановившимся волновым движением.
Прекрасная лаборатория, а также благоприятные
условия климата в районе Еревана, позволяющие
огромной водяной модели круглый год работать на
открытом воздухе, послужили причиной создания подо-
бия Куйбышевского гидроузла так далеко от Волги.
Профессор И. В. Егиазаров свыше тридцати лет
занимается гидротехническими исследованиями. Еще
в 1927 году в Гидроэлектрической лаборатории в Ленин-
граде он помогал строителям первенца советской
электрификации — Волховстроя.
Сначала профессор Егиазаров в лаборатории в Нор-
ке построил маленькую модель Куйбышевского гидро-
узла. Это была «модель модели». На ней изучалось
поведение потока воды, не изменяющегося во время
наблюдений. Эти исследования позволили определить
направление водяных струй в районе гидроузла, их
скорость и проверить правильность предполагаемого
расположения на большой модели «здания гидроэлек-
108
Общий вид модели Куйбышевского гидроузла в Армении.
тростанции», «земляной плотины», «водосбросной пло-
тины».
Но на практике условия движения воды постоянно
меняются, и иногда очень быстро; воды может быть то
больше, то меньше, скорость течения может расти,
падать, на поверхности появляются волны.
На морях и реках причиной зарождения волн слу-
жит ветер. Как смычок, захватывая струну, заставляет
ее двигаться за собою, пока она не сорвется и не
начнет самостоятельно колебаться, так благодаря тре-
нию воздуха о воду ветер захватывает частицы воды
и заставляет колебаться поверхность моря или реки.
Колебание струны имеет определенный предел, завися-
щий от ее свойств. Колебания волн растут и растут
вместе с усилением ветра, с увеличением энергии, на-
капливающейся в воде.
В таких искусственных сооружениях, как шлюзы и
каналы, главная причина появления волн иная — это
своего рода мертвая зыбь. При наполнении или опо-
рожнении шлюзов волны возникают из-за колебаний
первоначального уровня воды, вызываемого расходом
воды. Волны идут вперед, потом отражаются, их ско-
рости складываются или вычитаются. На разветвлении
канала, у выхода его в русло реки течение искривляет-
ся, здесь тоже таятся разные неприятные «сюрпризы».
Вследствие такой сложности процесса чрезвычайно
трудно найти зависимость отражения и преломления
волн от расстояния и времени, то-есть выразить мате-
матически условия подобия между моделью и натурой.
Теоретическое решение подобной задачи возможно
только, если ввести некоторые ограничения: допустить,
что волна движется лишь определенным образом.
По приближенному методу, разработанному про-
фессором Егиазаровым, были рассчитаны двадцать
шесть случаев выпуска воды из шлюзовых камер. В ре-
зультате можно было теоретически определить, как
разветвления канала влияют на образование волн и
скорость течения воды.
Но в шлюзе или канале на волну никаких ограниче-
ний не наложишь. Поэтому приближенные теоретиче-
ские расчеты требуют строгой проверки на опыте.
110
Для исследования на
модели были выбраны два
варианта канала: один из
них делался с очень поло-
гими откосами, умень-
шавшими вредный эф-
фект волн, другой с более
крутыми откосами, но за-
то глубже первого на
2 метра. Глубина водо-
ема уменьшает некоторые
опасные свойства волн.
Волны мелкого Азовско-
го моря являются на-
глядным доказательством
этого.
Очень важный вопрос
создания моделей — ше-
роховатость стенок и дна
настоящего канала и мо-
дели. Трение, зависящее
от состояния этих поверх-
ностей, влияет на усло-
вия подобия модели и на-
У модели плотины.
туры.
В настоящем канале углубления и выступы на стен-
ках и дне ничтожны по сравнению с размерами канала,
хотя и влияют на движение воды. В модели, уменьшен-
ной во много раз, эти дефекты поверхности, также
уменьшившись, перестанут действовать на воду.
Чтобы трение играло одинаковую роль и в модели
и в натуре, очевидно, необходимо исказить геометри-
ческие масштабы модели. Профессор Егиазаров дока-
зал теоретически и проверил на практике возможность
в подобных случаях пользоваться комбинированными
моделями: часть их искажена, другая остается неиска-
женной.
Для исследования, насколько необходимо такое
искажение в огромной ереванской модели, были сде-
ланы многие предварительные опыты. Во время прове-
дения этих опытов добились такой шероховатости
Ш
модели, что подобие скорости течения жидкости в мо-
дели и в натуре не нарушалось. Поэтому решили
ереванскую модель Куйбышевского гидроузла строить
геометрически подобной грандиозному сооружению на
Волге, без искажений.
Модель огромна. Но как будут выглядеть на ней
различные физические явления, например волны? Даже
очень большая величина модели не позволяет эти «вол-
ны» наблюдать невооруженным глазом: максимальная
высота волн, образующихся в шлюзах, достигает толь-
ко 3 миллиметров!
Автоматическая запись таких волн приборами не
удовлетворяет требований науки. Ошибка в половину
миллиметра на модели соответствует определению вол-
ны в настоящем шлюзе с неточностью примерно
в 16 процентов. Это слишком большая ошибка, и чтобы
избежать ее, на ереванской модели волны записывают-
ся приборами, дающими увеличение волн в пять и во-
семь раз. Таким образом, неточность снижается до
3,3 и 2 процентов.
Другим затруднением является запись скоростей:
они так малы, что обычные способы тут не годятся.
На ереванской модели светящиеся поплавки, уносимые
течением, колеблемые волнами, каждую секунду авто-
матически снимаются фотоаппаратом, и по их положе-
нию на пленке определяется скорость движения воды.
Подобная съемка на открытом воздухе, при полном
солнечном свете, при нередких ветрах потребовала
немалой изобретательности.
Множество приборов, размещенных повсюду, на
каждом шагу поражает взор посетителя этого «гидро-
узла». Одни действуют, как щупальца огромного орга-
низма, другие, словно глаза стража, неотступно наблю-
дают за порученным участком. Но подлинный «мозг»
всей установки находится прямо перед фронтом моде-
ли, откуда видна вся ее ширь: здесь расположен
командный пункт. Отсюда, нажимая кнопки на пульте
телеуправления, можно опускать и поднимать щиты
шлюзов. Сюда приходят сообщения различных прибо-
ров, наблюдающих за поведением воды в различных
местах модели.
112
Из Москвы, из Ленинграда в адрес Водноэнергети-
ческого института Армении шли грузы с тончайшими
измерительными приборами. Лаборатория динамики
машин Академии наук СССР, Осциллографическая
лаборатория Ленинградского электротехнического ин-
ститута имени Ленина и другие научно-исследователь-
ские организации и заводы помогли в порядке научного
содружества оснастить модель Куйбышевского гидро-
узла лучшей аппаратурой.
Но трудно заводским конструкторам и инженерам
быстро разрабатывать конструкцию и изготовлять все
сложные уникальные приборы, требующиеся лабора-
тории. Многие приборы изобретаются и изготовляются
самими исследователями.
Вот один из «сторожей воды», созданный здесь,
в гидроэлектрической лаборатории. Он называется ки-
нографом. Его главная деталь — «щупальце» (попла-
вок). Плавая на поверхности воды, поплавок повто-
ряет все ее движения: поднимается, опускается, колеб-
лется вправо, влево.
Каждое движение поплавка, в свою очередь, повто-
ряется маленьким зеркальцем, вращающимся вокруг
оси и соединенным с поплавком. Электрическая лампа
сверху освещает это зеркальце узким лучом. Кажу-
щийся неуловимым, как порхающий мотылек, мелькает
световой «зайчик», отбрасываемый зеркальцем. Но на-
целенная на него труба ловит его малейшие рывки
и направляет отраженные зеркалом лучи в аппарат,
где все колебания «зайчика» фиксируются на кино-
пленке. Эта запись производится с увеличением коле-
баний до пяти раз.
Для непрестанного наблюдения за любыми механи-
ческими колебаниями вообще очень удобно сначала
превращать их в электрические и потом исследовать
при помощи соответствующих приборов. Командный
пункт модели Куйбышевского гидроузла оснащен
электрическим прибором для исследований различ-
ных быстропротекающих электрических явлений —
осциллографом. Осциллограф модели одновременно
записывает восемь изменяющихся величин.
Запись на осциллограф позволила регистрировать
8 Тайны моделей
113
волны с очень большим усилением. Для этого в приборе
с поплавком, отмечающим колебания воды, механиче-
ские движения поплавка превращаются в электриче-
ские колебания, усиливаемые до тридцати пяти раз.
Затем усиленные колебания поступают в осциллограф
и в нем записываются. Такие приборы применяются для
контроля записей обыкновенных кинографов.
Другой прибор служит для записи изменений уров-
ня воды в модели шлюза. И здесь сердцем всей уста-
новки является поплавок, но его движения с помощью
зеркальца не превращаются в светового зайчика, а пе-
редаются рычагам. На этих рычагах укреплены особые
перья, скользящие по большому вертикально поставлен-
ному барабану со специальной бумагой. С каждым
поплавком соединено несколько перьев, записывающих
и колебание уровня воды в шлюзе и время, когда
происходит открытие и закрытие шлюза.
Из командного пункта модели автоматический за-
твор можно привести в действие так, чтобы вода выте-
кала из шлюза в канал, строго подчиняясь любому
заранее заданному режиму. Приборы, расставленные
повсюду, автоматически фиксируют каждое движение
частей модели, каждое колебание уровня воды.
У исследователей, работающих на ереванской моде-
ли, много хлопот, и только бесчисленные аппараты,
заменяющие руки, глаза и уши людей, позволяют не-
большому штату лаборатории справляться со своими
обязанностями: ведь модель, во всем подражая буду-
щему грандиозному гидроузлу, живет напряженной
жизнью — здесь одно время даже двигались целые
«караваны судов».
Особый механизм протаскивает крошечный буксир
с несколькими баржами. Одновременно работают и
шлюзные механизмы. Вода вокруг «каравана» неспо-
койно плещется, суда раскачиваются. Автоматы, наблю-
дающие за всем происходящим на модели, фотогра-
фируют продольные и поперечные колебания судов.
Неважно чувствовала бы себя команда настоящего
буксира и барж, если бы они подвергались такой качке!
Исследователи сейчас «развели» в канале такую
волну, что в натуре это представляло бы опасность.
114
Меняя условия, вызываю-
щие колебания уровня
воды и скорости ее тече-
ния, а также ускоряя или
замедляя ход караванов,
на модели гидроузла
можно получать любой
режим исследования.
Щелкают бесчислен-
ные механизмы, мелька-
ют световые зайчики,
отбрасываемые зеркальца-
ми кинографов, медлен-
но плывут светящиеся
поплавки, за которыми не-
отступно наблюдают стек-
лянные глаза фотоаппа-
ратов. Трудно предста-
вить себе, что все это
движение подчинено еди-
ному плану, что это зри-
мое решение сложнейших
математических задач,
Изучение волн.
уравнений, послуживших «математической моделью»
всего сооружения. Но это так.
Строгим контролером всего процесса является вре-
мя: единые электрические часы отмечают начало и ко-
нец исследуемых явлений. Вот открылись затворы
шлюза, и на барабане, вращаемом маленьким электро-
моторчиком, записан момент, когда это произошло.
Автоматически записывается время открытия и за-
крытия объектива фотоаппарата, делающего съемку.
Все важное, что совершается в каждую данную секун-
ду на огромной модели, не только немедленно фикси-
руется, но связывается временем в единую цепь.
Много серий опытов по изучению волновых явлений
в районе Куйбышевского гидроузла было проведено
на ереванской модели. Они показали, что решение
математической задачи на «живой модели» подтвер-
ждает теоретически полученные приближенные резуль-
таты расчетов.
8*
115
Исследования, производившиеся в других местах
Союза, на моделях меньшего масштаба, не могли
открыть всех особенностей «зарождения», «развития»
и «смерти» волн в шлюзном канале. На ереванской мо-
дели весь шлюзный канал Куйбышевского гидроузла
выполнен целиком. И это позволило обнаружить, что
скорости продольного и поперечного движения воды
в канале больше допустимых. Было отмечено и влия-
ние работы гидроэлектростанции на волновые явления,
мешающие нормальному судоходству.
Так модель дала ответы на шесть важнейших вопро-
сов: как нужно выпускать воду из шлюзов и гасить ее
энергию, какими должны быть система канала, его
глубина и ширина, какие течения появляются в развет-
влении канала, как должен работать межшлюзный
бьеф, как влияет работа гидроэлектростанции на вол-
ны, как движется поток воды в русле реки за выходом
шлюзного канала.
Исследования И. В. Егиазарова подверглись внима-
тельному обсуждению, и в результате их в размеры
нижнего шлюзного канала были внесены все необходи-
мые изменения.
Сооружение ереванской модели Куйбышевского
гидроузла представляло нелегкую задачу. А испытания
на модели надо было начать как можно скорее, иначе
некоторые из них теряли свое значение. И строители
модели работали, не жалея сил. Молодежь, привлечен-
ная к строительству, трудилась с огромным воодушев-
лением, сознавая, что здесь она непосредственно
участвует в создании величайших гидротехнических
сооружений.
Землекопы рыли бассейны и каналы, электрики про-
кладывали провода к механизмам и аппаратам. Труд-
ные бетонные работы были закончены в рекордно
короткий срок. Маленькое подобие Куйбышевского
гидроузла строители воздвигли в назначенное время.
А потом началась упорная борьба за то, чтобы
узнать секреты водяных струй, их тайны, разгадывае-
мые только при помощи опытов. Был в этих буднях
людей науки пафос строителей будущего, было вдох-
новение открывателей новых путей. И вот проведены
116
сотни опытов. Около пятисот раз менялся режим «Ма-
ленькой Волги», свыше 1 500 фото-кинозаписей выпол-
нила аппаратура модели, с такой тщательностью
построенная работниками института. С гордостью люди,
трудившиеся на высоком плато у Еревана, могут теперь
сказать: «Мы участвовали в разработке условий судо-
ходства в шлюзном канале Куйбышевского гидроузла
и в определении его основных размеров».
Но работы на этом не были кончены. Получено
было новое ответственное задание.
В жизни реки есть два момента, особенно важных
для строителей плотин и гидростанций, — весенний и
осенний паводки. В эти бурные периоды реки причи-
няют много бед там, где люди позволяют бушующим
водам вырываться на волю, где заранее не разработаны
все средства борьбы с этими мощными «речными при-
ливами».
Жарок и напоен ароматом цветов воздух Армении
в июле. Но экспериментальная база Водноэнергетиче-
ского института напряженно готовится к борьбе с весен-
ним паводком. «Ледоход», «шуга», — часто раздаются
здесь слова, тревожно звучащие для каждого речника.
Работники института составляют новые планы опытов
и исследований на модели Куйбышевского гидроузла.
По-новому настраиваются старые измерительные при-
боры, там и здесь появляются новые фотоаппараты,
нацеленные на важнейшие точки модели.
Страница за страницей переворачиваются исписан-
ные листы лабораторных журналов. Открываются и
закрываются миниатюрные ворота шлюзов, струится
вода в канале ереванской модели, плещется у тщатель-
но выведенной земляной насыпи, сливается через водо-
сливную плотину. Разбегаются в разные стороны ма-
ленькие волны, раскачивая, поднимая и опуская
поплавки.
Ничто не ускользает от глаз исследователей, видя-
щих словно сквозь чудесное увеличительное стекло
здесь, в Армении, громады бетона и земли, преградив-
шие мощное русло Волги. Перед ними «настоящие»
волны, «настоящие» корабли, идущие из Белого, Чер-
ного, Азовского, Каспийского, Балтийского морей.
117
На века создается грандиозная плотина, века будут
плескаться у ее высокой стены волны, мутная вода
паводков. И чтобы навсегда укротить эту стихию, сде-
лать ее безопасной, внимательно вглядываются глаза
ученых в еле заметную рябь, бегущую по воде в ере-
ванской модели Куйбышевского гидроузла.
Много секретов у воды — то неподвижной, застыв-
шей, то чуть струящейся, то мчащейся вперед грозным
потоком. И все эти секреты надо знать, надо научиться
справляться со всеми капризами воды, с ее коварством,
с ее способностью малейший промах проектировщиков
и строителей превращать в угрозу сооружению.
Гидротехники часто говорят, что вода — самый
строгий, самый беспощадный контролер работ, произво-
димых на реках. Вода, на пути которой возникла пре-
града в виде плотины, с одной стороны, стремится
понемногу разрушить сооружение, а с другой — ищет
обходных путей в глубинах грунта.
И много еще есть у воды способов причинять непри-
ятности людям, строящим каналы, плотины, шлюзы,
гидроэлектростанции.
Вода, пропускаемая через плотину, развивает, падая
вниз, огромную разрушительную энергию. Трудно
справиться с этими силами, исчисляемыми миллионами
лошадиных сил и вырывающимися на волю! Но тот,
кому удается разгадать все секреты слабой водяной
струи, чуть журчащей в прозрачном лотке в лаборато-
рии, многое узнает и о мощных потоках воды, стремя-
щихся в настоящих руслах.
РЕКИ В ЛАБОРАТОРИИ
Когда долго смотришь, как здесь струится желтая,
мутная вода, огибая песчаные плоские острова, начи-
нает казаться, что видишь хорошо знакомые места —
только с очень большой высоты, уменьшенными во мно-
го раз. Забываешь, что находишься в лаборатории, что
реку здесь питает обыкновенный водопровод и течет
она в бетонном русле, которое легко перешагнуть с од-
ного берега на другой и над которым там и тут укреп-
лены рейки с измерительными инструментами и прибо-
118
рами, наблюдающими за скоростью «реки», за направ-
лением ее струй, за движением песка.
Создание моделей рек — одно из самых порази-
тельных достижений моделирования. Модель реки по-
зволяет увидеть то, что скрыто от взора человека чрез-
вычайно большой продолжительностью процесса, его
медленностью.
В одной из лабораторий Академии наук СССР
М. А. Великанов при помощи опытов, длившихся толь-
ко несколько недель, заставил реку выдать ее тысяче-
летние секреты. В длинный и широкий лоток насыпали
гладкий слой просеянного песка толщиною немногим
более полуметра. Затем вдоль всего лотка посередине
этой песчаной долины сделали геометрически правиль-
ную ложбинку — русло реки — и пустили воду.
Модельная река потекла сначала мутной, ко-
ричнево-серой. Потом вода промыла свое «русло», и
река стала прозрачной. День за днем струилась вода
по одному и тому же направлению, по вырытой для нее
людьми ложбинке. Казалось, что может быть интерес-
ного, нового в этом опыте? Но однажды исследователи
заметили, что «берег» чуть подмыт и река немного,
едва-едва, искривила свое русло. С этого дня мертвая
лабораторная река как будто начала оживать, как
оживают в сказках и легендах творения художников и
скульпторов, вдруг получившие способность жить по-
своему.
С каждым днем река делалась капризнее, своенрав-
нее. Подмыв берег и искривив русло, она двинулась
вправо по искусственной песчаной долине и прорыла
постепенно новую ложбинку, новое русло. На старом
месте, где текла река, образовалась сухая терраса —
высохшее русло. А река рыла песок уже в новом месте,
строила уже вторую террасу, выше первой. Потом
третью...
Река жила и старилась на глазах. Из молодого по-
тока, только начавшего прорезать свою долину, она
превратилась в «старуху», окаймленную многими тер-
расами. В природных условиях подобное старение реки
длится тысячелетия. В лаборатории оно совершилось
за 30 суток.
119
Старея, река мелеет, образует причудливые излучи-
ны, создает на своем пути островки, мели. Кое-где
происходят «отрывы» излучины от главного русла, но-
сящие характерные названия «стариц». Но, состарив-
шись, река периодически омолаживается — русло ее
перемещается. Наша великая река Волга около
ста тысяч лет назад впадала в Каспий километров на
двести пятьдесят южнее, чем теперь.
Есть реки спокойные, тихие — «домоседки», неохот-
но, в течение многих-многих тысячелетий уходящие из
своих старых русел, да и то на сравнительно незначи-
тельные расстояния. Но есть и реки-бродяги. О них
местные жители говорят, повторяя древние поговорки:
«Мы знаем, где наша река текла вчера. Но каким путем
ее воды пойдут сегодня, никому не известно...»
Для строителей гидротехнических сооружений очень
важно знать, какой период переживает река. Поэтому
лабораторная модель оказывает большую помощь
гидротехникам, раскрывая особенности поведения вод-
ных артерий нашей страны. Особенности эти далеко не
всегда могут быть точно расшифрованы только путем
геологических исследований на берегах и на дне реки.
Горсть мелких твердых частиц лежит на листе белой
бумаги. Здесь, в лаборатории, эта горсточка — объект
изучения. Взгляните на несколько крупинок в микро-
скоп — сколько чудес открывается перед вами!
Вот кварц. Эти твердые частицы, почти не поддаю-
щиеся действию химических веществ, могут рассказать
о трудностях их путешествия, о дальности его: обкатан-
ность, сглаженность изломов частиц кварца свидетель-
ствует о том, как долго влекла их вода вдоль речного
русла. Кварц называют «геологическим термометром».
По внешнему виду его кристаллов иногда можно бывает
определить температуру процесса, при котором проис-
ходило образование этого минерала.
В поле микроскопа, снабженного специальным
устройством, исчезает однообразие окраски речных
отложений. Порою перед глазами исследователя ока-
зывается целая россыпь, содержащая ценнейшие мине-
ралы, только в микроскопическом виде!
Много лет назад знаменитый французский ученый
120
Реомюр, заинтересовавшийся изучением песчинок, на-
писал «Историю рек и ручьев французского королев-
ства, несущих золотые чешуйки». В этой работе Реомюр
попытался связать историю реки, все изменения, кото-
рые происходят в ней, с внешним видом частиц, влеко-
мых водою, отлагающихся на дне.
Теперь ученые располагают мощными средства-
ми, дающими возможность благодаря изучению
наносов в реке восстанавливать историю не только су-
ществующих рек, но и давно исчезнувших. Это очень
важно, так как позволяет судить о грунте, на котором
воздвигаются крупнейшие сооружения нашей эпохи.
Зная основные закономерности образования и
строения отложений равнинных рек умеренного пояса,
можно уверенно говорить о том, что ждет плотину или
гидроэлектростанцию через много лет после того, как
они будут построены.
Научное название этих отложений — аллювий. На
латинском языке «аллювио» значит «нанос». Однако
под словом «аллювий» далеко не все ученые подразу-
мевают одно и то же. Это объясняется тем, что назва-
ния явлений и предметов в науке в большинстве
случаев даны очень давно и «ярлычок» теряет перво-
начальный смысл.
Русловые водяные потоки всегда разрушают поверх-
ность земли, разделяют ее на части, вызывают образо-
вание долин. Аллювий — своего рода «стружки»,
появляющиеся при обработке твердых тел, при наруше-
нии целости их поверхности. Поэтому всюду в долинах
есть и аллювий, неизбежный спутник разрушения зем-
ли водою.
Но не всегда разрушающий поток идет по руслу,
созданному им самим. Нередко вода пользуется удоб-
ным путем, как будто приготовленным для нее другим/?
силами природы: долинами, «вытертыми» ледниками
или опусканиями суши под влиянием подземных толч-
ков. Обломки твердых пород земли, покоящиеся на
дне таких русел, могут уже являться не чистым аллю-
вием, среди них исследователь наталкивается и на по-
роды совсем не аллювиального происхождения.
Поэтому важнейшим признаком аллювия надо счи-
121
тать связь отложений именно с тем потоком, который
выработал данное русло. Только тогда между «струж-
ками», «станком» и «материалом» — отложениями,
рекой и породами, разрушаемыми ею, устанавливается
зависимость в наиболее типичной форме.
Аллювий — детище последнего периода в истории
Земли — четвертичного периода кайнозойской эры, эры
«новых животных»., ибо на древнегреческом языке
«кайнос» значит «новый», а «зоон» — «животное». Чет-
вертичный период — это время появления на Земле
первых людей, его начало отделено от наших дней
500—600 тысячами лет. С точки зрения геологии это
совсем пустяк, и работы геологов-«четвертичников»
теснейшим образом связываются с нашими днями,
с изучением истории наших равнинных рек. Получен-
ные результаты необходимы для гидротехнического
строительства любого рода.
Реки, ветер, морской прибой, ледники, скопление
осадочных пород непрерывно меняют лик земли. Но
эти изменения в большинстве случаев не могут быть
непосредственно уловлены нашим взором, ибо вся про-
должительность пребывания человека на Земле, со вре-
мени его появления, составляет пока ничтожную долю
секунды на геологических часах, стрелки которых пере-
двигаются через миллионы лет.
Даже аллювиальные отложения меняют свой харак-
тер на протяжении тысяч и сотен лет. Поэтому в огром-
ном большинстве случаев исследователю аллювия при-
ходится иметь дело с прошлым, изучать, как вода скла-
дывала свои грузы в течение многих-многих лет.
В. М. Лохтин, выдающийся русский гидролог, писал,
что в каждой реке в целом можно выделить три глав-
ных элемента, характеризующих состояние «водной
артерии»: многоводность, крутизну местности, пересе-
каемой рекой, и устойчивость ложа, то-есть размывае-
мость его в зависимости от прочности грунта, по кото-
рому течет вода. Эти свойства и определяют «лицо»
той или другой реки и объясняют все гидравлические
явления, происходящие на любом ее участке.
Лохтин ввел понятие об устойчивости ложа в ма-
тематическом виде. В дальнейшем эта характеристика
122
получила название «коэффициент Лохтина». По суще-
ству, коэффициент Лохтина принимается во внимание
и сейчас при изучении жизни речных русел.
Русло реки в самом начале его развития в сечении
напоминает латинское «V». У таких «юных» рек нет
постоянного аллювия: наносы, отлагающиеся во время
спада воды, уносятся в период новых высоких вод. Но
постепенно поперечное сечение русла все более и более
теряет сходство со строгими формами буквы «V».
Течение воды в русле только поверхностному наблю-
дателю кажется однородным. В действительности
в каждом потоке работают разные струи. Одни, как
плугом, перепахивают дно русла, другие разрушают
берега. Водные потоки, текущие в северном полушарии,
разрушают всегда правый берег. Это объясняется тем,
что поверхностные струи воды, текущие быстрее всего,
устремляются к правому берегу: в потоке всегда суще-
ствуют круговые движения струй, и оси этих круговых
движений под влиянием вращения Земли смещаются
вправо, если смотреть вниз по течению реки.
Частицы грунта, вырванные из правого берега, за-
тем относятся к левому берегу и там собираются в виде
наносов различной формы и величины. Таким образом,
русло потока постепенно передвигается вправо, пока
вода не встречает на своем пути породы, которые ей
уже трудно разрушить.
Весь этот процесс, который геолог может наблюдать
только застывшим, мертвым, модель реки, выпол-
ненная умелыми руками, позволяет наблюдать во всей
его динамике, ускоренным в огромное число раз.
Широко разливаются реки в паводок и половодье.
Вода захватывает и часть речной долины, прилегаю-
щую к руслу, — пойму. Потом вода спадает, а пойма
покрывается растительностью. Так происходит с тех
пор, как существуют реки на Земле. В пойме наносы
состоят из двух слоев: песчано-галечного внизу и верх-
него суглинистого.
До сих пор наличие этих двух разных слоев в пой-
менном аллювии объяснялось неправильно и связыва-
лось с изменением климата: его иссушением и паде-
нием многоводности рек. Если на том же месте, где
123
когда-то откладывались тяжелые галька и песок, затем
стали осаждаться более легкие частицы глины и пе-
ска, значит скорость течения’ воды упала, то-есть
изменилась многоводность реки.
Как же в действительности надо расшифровать
секрет пойменного аллювия современных равнинных
рек, имеющего огромное значение и для сельского
хозяйства и для гидротехнического строительства? Ведь
все наши главные реки Европейской части Союза рав-
нинные.
Перед нами старая знакомая лабораторная река
в своей песчаной широкой долине. Она вся умещается
в узком русле и течет быстро, увлекая довольно круп-
ные частицы, представляющие собою модель наносов:
гальки, песка, глины. Наступает «паводок», река раз-
ливается, течение ее несколько замедляется, но все же
еще остается достаточно быстрым, чтобы уносить
«вдаль» все, что полагается уносить настоящей реке
в таком возрасте и в такое время: модели гальки, «об-
ломки» деревьев, кустов и т. д.
Однако чем шире разливается искусственная река,
тем медленнее текут «полые воды».
Скорость «полых вод» постепенно падает, так как
при том же их объеме уменьшается их уровень. По-
верхность «поймы», уже не подвергающаяся действию
стремительных струй, покрывается растительностью —
кустами, деревьями. Возникает эта «растительность»
быстро: несколько движений пальцами — и то там, то
здесь уже торчат крохотные модели деревьев и кустов.
Это еще больше замедляет скорость течения.
Теперь галька и другие наиболее тяжелые частицы
уже не могут покинуть пределов русла, а легкие части-
цы начинают оседать в тихой пойменной воде. И свер-
ху аллювия, состоящего из гальки и песка, вынесенных
первыми «паводками» из русла лабораторной реки,
ложатся слои мелкого песка и глины: образуется пой-
менный аллювий.
Конечно, лабораторная модель в данном случае
только наглядно раскрывает ту тайну пойменных от-
ложений, которую геологи уже начали постигать на
основании многолетних экспедиций, исследований на
124
местах. Но искусственное воспроизведение процесса
образования поймы, чудесное ускорение его в стенах
лаборатории очень важны.
Правильной расшифровке аллювиальных поймен-
ных наносов помогла и археология. В нижних песча-
ных слоях, которые считались отложенными в те вре-
мена, когда еще не было человека на Земле, обнару-
живаются остатки судов, обожженные кирпичи. А это
служит лучшим доказательством современного проис-
хождения нижнего слоя аллювия.
Исследования аллювия наших равнинных рек имеют
очень большое практическое значение. Они помогают
правильно организовывать поиски и разведку россып-
ных месторождений полезных ископаемых. Правиль-
ное понимание истории реки дает возможность уверен-
но оценивать результаты геологических и гидрологиче-
ских изысканий на местах, предназначенных для
гидротехнического строительства.
Гидрология, наука, изучающая водную оболочку
Земли и круговорот воды в природе, долгое время не
была технической наукой. Теперь, когда всемерное по-
корение природы приобрело особое значение, и гидро-
логия стала одной из важнейших технических наук.
Она играет огромную роль среди теоретических основ
гидротехники. Моделирование процессов, изучаемых
гидрологами, помогает освоению неисчислимой энергии
наших рек.
Источник «белого угля», река, до выполнения ее мо-
дели, требует длительного и самого внимательного
исследования. Главная задача состоит в подробном
изучении гидрологического режима реки. Нужно знать
ее горизонт, или уровень, то-есть высоту воды в разное
время года. Для гидроэнергетика при этом важно
иметь сведения не о случайных уровнях, а о наиболее
характерных: в весенний ледоход, в половодье, в лет-
ние паводки, в осенний ледоход, зимой.
Особое значение имеет межень — средний уровень,
наблюдаемый в реке летом, весной, осенью. Знание
меженей позволяет определить мощность реки, а сле-
довательно, и мощность машин гидроэлектростанции.
Мощность, таящаяся в каждой реке, зависит от расхода
125
воды, .то-есть количества воды, протекающего в секун-
ду, и напора, который удается получить, — от разности
в метрах между верхним и нижним уровнями, у пло-
тины и ниже ее.
Одну и ту же мощность можно получить двумя пу-
тями: при высоком напоре и меньшем расходе или при
невысоком напоре, но при большем расходе.
В Куйбышевском гидроузле нормально расчетный
напор равен 22,5 метра. Куйбышевская гидротурбина
при минимальном расчетном напоре должна давать
108 500 киловатт, а при нормальном расчетном напо-
ре 126 тысяч киловатт.
Чтобы изучить реку, надо превратиться в настоя-
щего разведчика, исследуя по ее берегам высоту подъ-
ема воды за много лет, находя следы паводка, опреде-
ляя скорость течения в разных местах, изучая донные
отложения, количество твердых частиц, несущихся
в воде, промеряя русло, подсчитывая расход воды, со-
бирая сведения о ледоходах, о промерзании, о шуге —
опасном донном льде, покрывающем дно и вдруг
всплывающем на огромной площади.
Вот вверх по реке плывет моторный катер экспеди-
ции Гидропроекта. Кажется, что сидящие на катере
просто любуются берегами реки. Но в действительности
на маленьком суденышке идет напряженная работа —
там включен эхолот. Этот прибор автоматически зари-
совывает на бумажной ленте все, на что наталкивается
«щуп» эхолота — ультразвук: отмели, камни, ямы,
различные наносы.
Ультразвуковые колебания, не улавливаемые чело-
веческим ухом, отлично распространяются в воде,
и в то же время с ними не смешиваются шумы, созда-
ваемые работой мотора и винта.
Отразившись от дна реки, ультразвук попадает
в приемный аппарат. Здесь неслышимые колебания
вызывают появление электрического тока, автоматиче-
ски приводящего в движение «перо», записывающее на
бумагу профиль дна. Эхолот позволяет обнаруживать
даже слои ила, покрывающие твердый грунт: каждая
из поверхностей — мягкая и твердая — посылает на
корабль свои отраженные ультразвуковые сигналы.
126
Изучение водной стихии порою требует не только
знания, но и немалого мужества, самоотверженности.
Примером этому служила работа научных работников
на острове Временном в Цимлянском море. На клоч-
ке земли в десяток квадратных километров была рас-
положена одна из станций Цимлянской научно-иссле-
довательской гидрометеорологической обсерватории.
Она наблюдала за водою «моря», за тем, как под вли-
янием ветра, волн и «тихого действия» воды форми-
руются берега новорожденного водоема. Очень важно
было проследить, как в Цимлянском водохранилище
образуется лед. Период льдообразования является не-
легким и для судоходства и для работы гидроэлектро-
станции.
Острова Временного уже нет. Он скрылся под во-
дою. Но вместо него существует пловучая гидрометео-
рологическая станция, оснащенная приборами для на-
блюдений за атмосферой и водою.
В СССР гидроузлы строятся для комплексного ис-
пользования сил природы. Один и тот же узел улуч-
шает качество судоходства, дает электроэнергию, оро-
шает и обводняет почву. Поэтому, изучая лаборатор-
ные модели рек, ученые должны решать все эти во-
просы.
Моделируя, инженер выполняет в уменьшенном
масштабе весь образец или только часть его. Масшта-
бы, при которых модель делается даже в 2 000—
2 500 раз меньше натуры, не позволяют создавать по-
добия всей большой реки. Длина Волги почти 3 700 ки-
лометров, и, следовательно, при уменьшении в 3 тыся-
чи раз модель получилась бы длиною в 1 233 метра.
Для исследований на моделях поэтому выбирается
наиболее важный, характерный участок реки длиною
в несколько десятков километров или меньше, в зави-
симости от масштабов модели и назначения исследова-
ний. На этой модели можно изучать жизнь реки без
гидротехнического сооружения и обнаруживать все
главнейшие изменения режима, вызванные появлением
на пути воды различного рода искусственных преград.
Оснащенная приборами и аппаратами для регули-
рования и измерения количества воды, измерения уров-
127
ня, давления, направления течения, скорости и т. д.,
лабораторная река позволяет провести множество важ-
нейших исследований, необходимых для выяснения ос-
новных размеров гидротехнических сооружений и оп-
ределения режима их работы.
Перед нами модель Дона, его участок вблизи Цим-
лянского моря. Когда смотришь на модель, особенно-
сти речных берегов выступают особенно резко, потому
что охватываются взором сразу на большом протяже-
нии реки. Здесь бросаются в глаза крутые петли «До-
на» у «Цимлянского моря». В этих местах судоходство
тяжело и опасно. Сильные течения давят на суда, на
караваны барж, прижимают их к ярам. Здесь нередко
с удивительной быстротой растут наносы.
На модели струится вода, огибая крошечные «ост-
рова», «песчаные косы». Маленькое суденышко гордо
несется, увлекаемое течением. На нем нет ни капитана,
ни рулевого, и при первой же встрече с коварным по-
воротом воды — кораблик устремляется к берегу, тер-
пит крушение. Повторяется рейс за рейсом, в «кора-
бельный журнал» заносятся все новые и новые случаи
бедствия.
Но йа помощь приходят каналы, выпрямляющие
русло реки. Проложить эти каналы на модели нетруд-
но: надо только убрать несколько перегородок, отде-
ляющих основное русло от различных обходных путей.
Такие перегородки — «плотины» — заготовляются за-
ранее вместе с моделью всей реки. Кораблик, пущен-
ный по преобразованному «Дону», теперь спокойно
проплывает опасные места. Рейс оказывается в этот раз
счастливым.
Замечательной «речной лабораторией» явился уча-
сток у подножья Мамаева кургана в Сталинграде, где
была создана «Малая Сталинградская гидроэлектро-
станция». Собственно, это была не только станция,
а весь Сталинградский гидроузел со шлюзом, электро-
станцией, водохранилищем, земляной и бетонной пло-
тиной и Волго-Ахтубинским соединительным каналом.
На этой «Маленькой Волге» строители решали очень
важный для судоходства вопрос. При создании Сталин-
градской гидроэлектростанции река Ахтуба оказалась
128
отрезанной от Волги. Для «питания» Ахтубы соорудили
Волго-Ахтубинский канал. Но как будут чувствовать
себя в этом канале суда? Будут ли в нем обеспечены
нормальные условия судоходства? Ответ на это должны
были дать опыты с моделью «Маленькой Волги», так
как никакие предварительные расчеты тут помочь не
могли.
«Маленькая Волга» у Мамаева кургана в Сталин-
граде была уменьшена по сравнению с изучаемым
участком Волги в 150 раз. Такие размеры модели по-
зволяли делать все намеченные планом опыты, и в то
же время модель не растянулась на слишком боль-
шой территории. А ведь и уменьшенная в 150 раз, мо-
дель заняла площадь более гектара.
Для изучения судьбы Ахтубы на модели «Малень-
кой Волги» быстро прорыли канал,внешне весьма
похожий на те, которые строит детвора летом на бере-
гах рек: его ширина была всего 80 сантиметров. Но он
являлся точным подобием большого канала. Наблюдая
за течением воды в этом искусственном ручейке, мож-
но было увидеть, как в будущем заструятся воды
в Волго-Ахтубинском канале.
Чтобы ‘направление водяных струй сделать зри-
мым, на дно миниатюрного канала льется краска. Гу-
стые темносиние полосы тянутся вдоль правого берега.
Значит, поток влечет суда к правому берегу настоя-
щего канала. При высоком уровне в реке вода бурно
устремится в канал. Как нелегко будет судам справ-
ляться с потоком, прижимающим их к правому берегу!
Когда на «Маленькой Волге», созданной у Мамае-
ва кургана, при помощи красок было обнаружено,
как поведут себя струи воды в канале, соединяющем
Ахтубу с Волгой, исследователи с уверенностью заяви-
ли, что так же будет происходить и в настоящем кана-
ле, с настоящими судами.
Оставалось, пользуясь той же моделью, найти спо-
соб борьбы с силами воды, стремившимися увлекать
суда к правому берегу.
Для прорытия настоящего канала необходим труд
многих людей и работа мощнейших земснарядов. Ка-
нал на модели строится и перестраивается куда бы-
9 Тайны моделей
129
стр-ее. И вот на модели появляется новый вход в канал.
Снова проверяется направление водяных струй при
помощи краски. Теперь уже краска, лениво растекаясь
по всей ширине канала, течет гораздо- медленнее. Су-
да, направляющиеся таким путем в Ахтубу, не испы-
тают опасных и неприятных толчков.
После открытия Волго-Ахтубинского канала ока-
залось, что предсказания модели были правильными.
Немедленно земснаряды принялись прорывать со сто-
роны Волги добавочный рукав канала специально для
кораблей — «тихий рукав», сделать который «посове-
товала» модель.
Пренебрежение любым из важных условий, в ко-
торых находится натура, опасно, если исследователь
не знает всей его роли для данного процесса. Но в мо-
делировании не нужно учитывать все условия.
Возьмем такой пример. Реки текут на открытом
воздухе и всюду на своем пути подвергаются атмо-
сферному давлению. Уменьшая в соответствующем
масштабе все размеры, все силы, действующие на мо-
дель, как будто надо пропорционально понижать
и атмосферное давление. Исследователь, заставляя
свою плотину или другое сооружение работать при
нормальном, неизменном атмосферном давлении, явно
нарушает этим подобие, которое должно существовать
между моделью и натурой.
Но представим себе моделирование атмосферного
давления. Вся модель должна была бы находиться
в герметически закрытом помещении, исследователи
принуждены были бы работать в специальных аппара-
тах, обеспечивающих нормальное дыхание.
К счастью, в большинстве случаев на характере
движения воды сказывается не абсолютное давление,
а его перепады между уровнями на различных участ-
ках -пути воды. Это давление на модели уменьшается
из-за самих уменьшенных ее размеров, и измерения
в лаборатории можно считать как бы осуществленными
на настоящем сооружении.
Геометрические размеры модели реки должны быть
подобны размерам натуры. Но здесь возможны и иска-
жения масштабов, то-есть высота берегов может быть
130
Русло реки.
сокращена менее, чем длина их, и т. д. Особенно часто
искажениям подвергаются устья рек, так как в широ-
ком устье с очень низкими берегами влияние стенок
русла («беретов») меньше всего, и вертикальный
масштаб может искажаться без особого изменения
процессов, происходящих в данном месте. Задача
становится как бы двухмерной — в ней принимаются
во внимание только' ширина и длина устья.
Какие могут быть допущены искажения при моде-
лировании рек, чем можно поступиться, отходя от точ-
ного подобия, решается только на основании хороше-
го знакомства с тем, как изучаемые явления протекают
в природе.
Советские ученые, специалисты по моделированию
в области гидротехники, добились огромных достиже-
ний благодаря теснейшей увязке теории с практикой,
с тем, что «происходит на самом деле». В этом отноше-
9*
131
нии они следуют славным традициям знаменитых рус-
ских гидротехников конца XIX и начала XX века.
У нас гидротехнические сооружения никогда не
бывают для реки каким-то чужеродным телом, вре-
завшимся в не£, как топор в дерево. Советские гидро-
техники и другие специалисты всегда тщательно изу-
чают, какие последствия вызовет то или другое вмеша-
тельство в естественную жизнь реки, как изменится
режим этой артерии, влияющий на весь район.
Стремление максимально удовлетворить все расту-
щие требования советских людей побуждает наших
гидротехников добиваться, чтобы сооружение плотины
и гидростанции не повредило бы рыболовству, чтобы
была не забыта и эстетическая сторона вопроса. Кра-
соте гидротехнических сооружений у нас уделяется
очень много внимания, и здесь большую помощь строи-
телям оказывают модели-макеты, позволяющие уви-
деть, как будет выглядеть весь ансамбль: река, пло-
тина, прилегающая местность с новыми городами, пор-
тами.
За рубежом, в капиталистических странах, характер
строительства определяется коммерческими сообра-
жениями: выгодно комплексно использовать гидро-
узел — это будет сделано. Если выгодно для компа-
нии только улучшение судоходства, о потребностях на-
селения в электроэнергии можно и «забыть».
Здесь реки после их «переделки» порою становят-
ся угрозой для жизни и здоровья населения, живуще-
го вблизи.
Плотина в особых условиях может очень сильно
поднять грунтовые воды, которые не только вызывают
губительное для растений засоление почвы, но и ста-
новятся опасным соседом для близлежащих сооруже-
ний, угрожают самой жизни населения. Слишком силь-
ное насыщение влагою полей вызывает гибель уро-
жаев, разлившаяся застоявшаяся вода делается оча-
гом болезней.
Так, в заграничной печати сообщалось, что в Аф-
рике, в Бельгийском Конго, строительство пло-
тин, сооружавшихся английскими и бельгийскими
инженерами, привело к заражению громадных терри-
132
торий вредными микроорганизмами. Строители не
учли подъема грунтовых вод, и леса в районе плотин
превратились в гниющие болота.
Бережно сохраняя жизнь реки, предупреждая опас-
ные размывы берегов, закрывая воде путь в обход
плотины, гидротехники ни на минуту не должны забы-
вать о тех периодах в жизни реки, когда она становит-
ся грозной, разрушительной силой.
Паводок и наводнения всегда причиняли множе-
ство бедствий жителям населенных пунктов у берегов
рек. Для гидроэлектростанций и сейчас периоды па-
водков — тяжелое время, требующее особого внима-
ния со стороны персонала, обслуживающего гидро-
электростанции и другие гидротехнические соору-
жения.
Однако советская наука, пользуясь исследования-
ми моделей, нашла способы борьбы с такими явления-
ми, перед которыми человеку как будто оставалось
только сложить руки. Чем, казалось, можно победить
паводок совершенно неизбежный, не зависящий от во-
ли человека и так сильно влияющий на действие гидро-
электростанции?
Как бы тщательно и хорошо ни проектировались
плотина и гидроэлектростанция, но приходят паводко-
вые воды и сразу изменяют весь режим работы. Чтобы
пропустить эти воды, в сливной плотине открывают-
ся специальные отверстия, и верхний уровень у пло-
тины понижается. Уменьшается напор, один из мно-
жителей в формуле, определяющей мощность потока,
действующего на рабочее колесо турбины. Но этого
мало. Сбрасываемая сверху вода поднимает нижний
уровень, и это еще больше уменьшает напор. С верх-
ним уровнем, как ни старайся, явно ничего не сделать.
Нижний уровень, однако, можно попытаться понизить,
отодвинув подальше массу воды от плотины. Чтобы
выполнить такую колоссальную работу, нужна боль-
шая мощность, и нелепо было бы тратить часть выра-
батываемой энергии на это.
Начинаются опыты на моделях — ведь ни на одной
работающей станции нельзя проводить подобные экспе-
рименты, требующие изменения подводных частей
133
гидроэлектростанции. Одна за другой испытываются
модели, и, наконец, находится лучший вариант.
Струя воды пропускается между машинами гидро-
станции и выходит на волю недалеко от дна ниже
«плотины». Эта струя отталкивает воду дальше, впе-
ред и поднимает водяной вал. В пересчете с модели
на натуру вал должен достигать высоты четырех
метров и больше! Таким образом, нижний уровень
можно понизить на четыре метра, а увеличение на-
пора на четыре метра — огромный выигрыш мощ-
ности.
Теперь невозможно изучать реку, ограничиваясь
только натурой. Без моделей реки в лаборатории
нельзя дать полного суждения О' роли паводков. Нельзя
предсказать, как повлияет еще не существующая пло-
тина на образование наносов, на судоходство.
Поэтому в лабораториях создавались и создаются
модели Волги, Днепра, Дона, рек Средней Азии, Си-
бири. На них строятся гидроэлектростанции с турби-
нами, несмотря на свои крошечные размеры, отличаю-
щимися большой точностью выполнения всех деталей.
На маленьких подобиях грандиозных сооружений изу-
чаются способы борьбы с размывами русла реки
у плотин. Ученые выбирают лучшие типы гасителей
энергии воды, обрушивающейся у плотины вниз. На
специальных установках исследуется суффозия —
опасный вынос частиц из основания плотины.
Специалист, изучающий гидротехнические модели,
должен быть и инженером и математиком. Песок,
струи воды, маленькие подобия огромных машин помо-
гают ему там, где бессилен «голый расчет», и дают
ответ на неразрешимые математическим путем задачи.
Большое гидротехническое сооружение состоит из
стольких различных частей, что ни один специалист не
может так знать все его детали, чтобы участвовать
в постройке любой из них.
Одни исследуют реку, другие воздвигают плотину,
третьи — гидроэлектростанцию, четвертые — шлюзы,
пятые создают центр управления всей системой, ее
электрический мозг, автоматически приводящий в дей-
ствие бесчисленные механизмы.
134
Соответственно этому специализируются и люди,
создающие модели, разрабатывающие наиболее совер-
шенные методы изучения их. Есть прославленные
«речники», есть «шлюзовики», «плотинщики»... Есть
и люди, занимающиеся... песчинками.
ВСЕГО ЛИШЬ ПЕСЧИНКА
Великолепные плотины больших гидроузлов, их
грандиозные масштабы и совершенство каждой части
вызывают всеобщий восторг и преклонение перед по-
двигом строителей. Но взору открыта только некоторая
доля работы — такова уж судьба гидротехнических
сооружений! Мост, величественное здание, машина
видны целиком или почти целиком. А тут главная
арена борьбы, наиболее ответственные части сооруже-
ний скрыты водой.
Кто, смотря на плотину, гидроэлектростанцию,
шлюз, вспоминает песчинку, обыкновенную малень-
кую песчинку со дна Волги, изучавшуюся в лучших
лабораториях Союза? А ведь сколько глаз инженеров
и ученых разглядывало ее! Скольким исследованиям
она подвергалась и сколько потрачено усилий, чтобы
ее поведение подчинялось воле строителей!
Очень редко струи речной воды чисты и прозрачны.
Обычно они увлекают с собою бесчисленные количе-
ства твердых частичек. Купаясь, плавая на лодке, мы
им не придаем никакого значения, не замечаем. Но эти
крошечные «всадники», оседлавшие водяные струи и
мчащиеся все вперед и вперед от истоков реки до ее
устья, — грозные враги гидротехнических сооружений.
Добравшись до гидростанции, атакуя лопасти ра-
бочего колеса турбины, они причиняют тяжелый урон,
снижая коэффициент полезного действия гигантской
машины. Подчиняясь своим законам, песчинки соби-
раются в громадные острова, образуют всевозможные
препятствия на пути воды, на главных дорогах речных
судов. Борьба с этими подводными путешественника-
ми — одна из труднейших задач гидротехников.
Советские ученые добились значительных успехов
в борьбе с твердыми частицами, несущимися вместе
135
c «потоком воды в реках и в различных гидротехниче-
ских сооружениях. Особенную помощь исследовате-
лям здесь оказывают модели.
Плотина, изменяющая движение воды в реке, все-
гда сильно влияет и на образование наносов. Появление
их после окончания гидростроительства, конечно, ни-
когда не должно быть неожиданностью для людей,
строящих плотины, электростанции, каналы.
Опыты на моделях в данном случае представляют
особую ценность, потому что они позволяют выяснить,
где будут расти подводные холмы, какой высоты они
могут достичь, какие меры уменьшают наносы, вызы-
вают перемещение их в другие места.
Настоящая модель реки должна жить так же, как
река: условия, влияющие на работу модели, должны
меняться непрерывно, как меняются летом, осенью,
зимой и весной условия течения Волги, Дона, Днепра.
Практически выбирают самые важные, критические
моменты. Одним из них является паводок, когда русло
реки подвергается наибольшим изменениям и когда
в ее водах находится наибольшее количество твердых
частиц. Впрочем, в это время вода влечет уже не толь-
ко мельчайшие твердые тела, но и целые деревья, ку-
сты, обломки различных сооружений.
На больших моделях, где особенно тщательно
исследуется значение специальных деталей плотин, во
время искусственного паводка пускают в воду моде-
ли бревен, льдин, чтобы посмотреть, как они будут
крутиться в воде, попав в район гидроузла, какие
опасности могут создать подобные «частицы», увле-
ченные сильными паводками.
Однако главную роль играют во все времена года
мелкие твердые частицы. Водяные потоки в ложе реки
всегда несут их. И чтобы потоки в модели и в натуре
были подобными, должны быть подобными движения
не только частиц воды, но и движения наносов. Необ-
ходимо подобие и шероховатости русла в модели
и в натуре и подобие наносов по количеству и по раз-
мерам твердых частиц, образующих наносы, то-есть
надо моделировать сами частицы, песчинки. А это
весьма сложное дело.
136
Вырванные твердые частицы вода строго сортирует
по их величине и тяжести. Для сортировки каких-либо
твердых частиц по их размерам обычно применяют
сита. Например, качество помола муки характеризует-
ся мелкостью ячеек сита, сквозь которое она просеи-
вается. В гидротехнике роль такого сита играет
вода: чем крупнее и тяжелее частицы, тем быстрее они
оседают на дно. Таким образом, наносы весьма точно
распределяются на крупные, мелкие и еще более мел-
кие. «Сорта» этих частиц носят название фракций.
Чем быстрее течет вода, тем дальше успевает она
отнести свой груз из больших и мелких твердых ча-
стиц. В паводок, когда скорость воды выше всего,
галька, песок и взвешенные иловые частицы уносятся
очень далеко от места разрушения горных пород. Со
спадом воды укорачиваются и рейсы как влекомых
донных наносов, так и взвешенных мельчайших частиц.
Уменьшая размеры «натуры» — русла реки, буду-
щей плотины и всех ее деталей, естественно, надо
было бы уменьшить в соответствующем масштабен пес-
чинки, образующие русло и играющие решающую роль
в судьбах сооружения. Но если «натура» уменьшается
в 100—200—1 000 раз, что останется от песчинки?
Пыль, являющаяся в данном случае моделью песка,
будет обладать свойствами, резко отличающимися от
свойств натуральных частиц грунта. Например, вслед-
ствие ничтожной величины «микропесчинки» очень
легко слипаются в комки, так как среди отдельных
частичек слишком маленьких размеров сказывается
действие сил’сцепления молекул.
Другое неприятное свойство мелких однородных ча-
стичек заключается в образовании из них зыби на
поверхности «речного дна» в модели. Такие застывшие
и сыпучие волны, носящие название рифлей, появляют-
ся и на дне настоящей реки, но там рифли так малы
по сравнению с другими изменениями формы поверх-
ности речного ложа, что ими можно пренебречь.
А в моделях, где все размеры очень невелики, рифли
играют уже совсем не ту роль, что в реке.
Чтобы избавиться от искажающего влияния риф-
лей, их надо сглаживать перед каждым измерением.
137
Все эти неудобства очень мелких частиц, заменяющих
речной песок, заставляют экспериментаторов работать
с более крупным «твердым стоком», как называют
ученые подвижные твердые частицы, путешествующие
в воде. Сюда входят и песок, и ил, и галька, и даже
более крупные камни.
Наносы в реке образуются из твердых частиц двух
различных «сортов». Одни столь мелки, что держатся
в воде во взвешенном состоянии, образуя муть. Такие
частицы называются взвешенными. Более крупные ча-
стицы составляют донные наносы.
Получить «модель воды» со всеми этими частица-
ми ничего не стоит: надо только высыпать в стакан
воды горсть речного песка. Вода мгновенно помутнеет.
На дно с разной быстротой опустятся частицы, обра-
зующие донные отложения, а муть долго будет слов-
но висеть в жидкости. Эти частицы и называются
взвешенными.
Если даже добиться геометрического подобия взве-
шенных наносов в модели и в натуре, то в модели
движения столь мелких частиц будут уже отличаться
от путей песчинок в настоящей реке. Их движения
могут быть беспорядочными и вызываться ударами
молекул воды. Подобия потоков здесь не будет.
На практике исследователи наносов сейчас в боль-
шинстве случаев моделируют только донные наносы,
стремясь, чтобы они обладали такой же подвижностью,
как в реке или канале. Здесь исследователь созна-
тельно делает ряд искажений. Твердые частицы для
модели берутся прямо из реки, что, конечно, резко
искажает масштаб.
Среди других деталей модели частицы грунта, об-
разующего русло реки, являются по сути дела настоя-
щими великанами, перенесенными неизменными в мир,
где все уменьшено в десятки, сотни и тысячи раз.
Такие «гиганты» в модели не могут увлекаться водой
с той же скоростью, как в реке. Поэтому делается
и другое искажение. В модели русло выполняется
с большим уклоном, чем в реке. Это сообщает воде
большую скорость, и подвижность твердых частиц воз-
растает.
138
Пытаясь добиться бо-
лее точного подобия явле-
ний, происходящих в мо-
делях и в настоящих
реках, исследователи ино-
гда заменяют частицы
грунта деревянными опил- i
ками, толченым бурым
каменным углем, пемзой,
эбонитовой пылью и даже
толченым янтарем. Эти
легкие подвижные части-
цы более соответствуют
размерам моделей и уси-
лиям, действующим на
них.
Как бы ни выбиралась
твердая частица для опы-
тов на моделях, из како-
го бы вещества она ни
изготовлялась, искус-
ственный грунт в модели
должен быть так же по-
движен, как в настоящей
реке. Размывая свое ло-
же, увлекая частицы гр
Так выглядит в масштабе пес-
чинка, перенесенная с берега
реки в мир моделей.
ат а откуда-то издалека,
поток откладывает их в разных
местах в виде холмов,
препятствующих судоходству, нарушающих нормаль-
ную эксплуатацию гидротехнических сооружений.
Даже выполнив модель, в точности соответствую-
щую тем условиям, когда грунт в реке приходит в дви-
жение, исследователь не может добиться подобия на-
туре: ведь в речной воде откуда-то сверху несутся
неисчислимые количества частиц грунта, вырванных из
размываемого ложа. Как тут приходится поступать
ученым?
На модель, сделанную из жестких неразмываемых
материалов, обычно бетона, подается «твердый сток»,
то-есть вода с твердыми частицами, как в реке. Мно-
голетний опыт помогает выбирать и средний размер
частиц и количество их, приходящееся на каждый
139
кубический метр воды. Например, на литр добавляет-
ся от 0,1 до 1,5 грамма твердых частиц.
Поиски наилучшего метода моделирования взве-
шенных и донных наносов упорно продолжаются со-
ветскими учеными-гидротехниками. Весьма интерес-
ные исследования по моделированию твердых частиц
в речных потоках, каналах и различных других гидро-
технических сооружениях проведены профессором
Ф. И. Пикаловым, изучавшим и взвешенные и донные
наносы.
Чтобы движения взвешенных наносов были подоб-
ными в модели и в натуре, должна быть одинаковой
мутность потока, то-есть необходимо соблюсти пропор-
циональность в количестве взвешенных твердых частиц.
Но одной мутности недостаточно для определения по-
движности частиц, содержащихся в воде. Надо еще
установить связь между размерами частиц и скоро-
стью потока. Это выполняется при помощи специаль-
ных таблиц. После этого можно быть уверенным, что
движение частиц будет подобно в модели и в натуре.
Диаметр частиц иногда требуется от 0,078 до
0,001 миллиметра. Изготовлять такие частицы чрезвы-
чайно трудно, и их получают прямо из речной воды,
отбирая подходящие после оседания их на дно в раз-
ных сосудах.
Геометрическое подобие между частицами в реке,
оседающими при данной скорости, и в модели не будет
соблюдено. Однако это не внесет ошибки в исследо-
вания, потому что основным условием здесь является
подобие самого процесса.
И в реке и в ее модели должно быть одинаковым
отношение скорости течения воды к толщине слоя ча-
стиц, оседающих на дно за одну секунду. Этот процесс
оседания взвешенных частиц в жидкости вообще играет
очень большую роль в самых различных и как будто
очень далеких друг от друга областях науки и тех-
ники.
Каким образом, например, он может служить для
суждения о состоянии здоровья человека? А между
тем на нем основана важнейшая характеристика кро-
ви — знаменитое РОЭ: реакция оседания эритроцитов.
140
У человека из пальца берется кровь и помещается
в трубочку с миллиметровыми делениями. Жидкостью
служит сама сыворотка крови, а «песчинками» — эри-
троциты, красные кровяные тельца. По скорости осе-
дания эритроцитов врачи узнают, есть ли в организме
человека очаг какой-нибудь болезни. Даже обыкно-
венный грипп иной раз вызывает повышение скорости
оседания эритроцитов.
На разной скорости оседания частиц в зависимости
от их величины и от состояния жидкости основаны
и некоторые интересные технологические процессы, раз-
работанные химиками, металлургами.
Моделируя поток, несущий твердые частицы, зная
соотношение в нем взвешенных частиц и донных, мож-
но судить, что будет происходить в оросительных кана-
лах, питаемых таким потопом. Взвешенные частицы
представляют ценность как удобрение, а тяжелый пе-
сок только вреден. Соотношение между этими состав-
ными частями наносов в модели должно быть таким
же, как в настоящей реке или канале.
Исследования, произведенные профессором Пика-
ловым, облегчают работу инженера, определяющего
при помощи модели, как гидротехническое сооруже-
ние заносится песком и на каком расстоянии от входа
в канал различные частицы опускаются на дно.
Есть в нашей стране реки, требующие особенного
внимания исследователей, так как в их водах таится
много различных угроз гидротехническим сооруже-
ниям. Все эти опасности должны быть изучены зара-
нее, чтобы плотина и другие части гидроузла встрети-
ли любую атаку реки во всеоружии и легко отразили
бы ее.
На Волге и Дону наносы ежегодно передвигаются
на расстояние в 40—80 метров. Острова и мели Аму-
Дарьи совершают путешествия в 800—1 600 метров.
Песок и ил в воде рек грозят образованием боль-
ших наносов в верхнем бьефе гидротехнических соору-
жений. В нижнем бьефе дно может размываться па-
дающей водою, а потом уже усиленно заиливаться, так
как здесь будут собираться и местный грунт, оторван-
ный от дна реки, и принесенный с верхнего течения.
141
В Средне-Азиатском научно-исследовательском
институте ирригации были сооружены большие модели,
на которых испытывались и испытываются различные
«плотины». Какими должны быть сооружения того
или другого гидроузла в голове канала, чтобы твердый
сток доставлял меньше неприятностей, чтобы меньше
наносов образовывалось в реке у берегов каналов?
Модель реки живет во много раз быстрее настоя-
щей реки. Щелкают механизмы, открывающие и за-
крывающие доступ воде, струящейся по искусствен-
ному руслу. Сколько времени надо, чтобы в настоящей
реке вырос песчаный нарост? А здесь на глазах в раз-
ных местах выступают песчаные острова овальной,
обтекаемой формы.
Натыкаясь на созданные ею же самою острова, ре-
ка прорывает себе новый путь, сворачивает в сторону.
Островов, которые сейчас растут в лабораторной реке
перед моделями плотин, ни в коем случае не должно
быть в натуре! Иначе будет, происходить размыв соору-
жений.
Цель исследований ученых Средне-Азиатского науч-
но-исследовательского института ирригации заключа-
лась в поисках такой системы гидроузла, при которой
появление опасных песчаных островов бьию бы невоз-
можно. Исследователи справились с этой труднейшей
задачей. Полученные на моделях результаты помогут
проектировщикам избирать наиболее совершенную
конструкцию гидроузла.
Здесь работа исследователей и проектировщиков
напоминает действия опытных тактиков, выбирающих
наиболее выгодное расположение своих сил. Надо
обезопасить себя и от лобового удара и от коварных
атак в обход. Надо поставить «противника» в такие
условия, чтобы ни одно его действие не было неожи-
данностью и каждый нажим в любом направлении
сейчас же парировался контратакой.
Просто преградить путь твердым частицам, несу-
щимся вместе с водою, нельзя. Кроме гальки и песка,
воды реки увлекают с собою ценнейшее удобрение —
ил. Система, задерживающая гальку и песок, должна
свободно пропускать частицы, повышающие урожаи.
142
Над такой системой уже много лет работает про-
фессор В. А. Шаумян. О ней дает прекрасное пред-
ставление модель, построенная в гидромелиоративной
лаборатории Всесоюзного научно-исследовательского
института гидротехники и мелиорации. Она является
подобием натуры, уменьшенным в 200 раз. Но
и в таком виде модель занимает более 100 квадратных
метров.
Л1одель сделана цз дерева и стекла, чтобы можнор
было быстро менять конструкцию отдельных деталей
и сквозь стекла на-
блюдать, как ведет се-
бя вода во всех усло-
виях. Часть речной
воды должна пропу-
скаться свободно, дру-
гая же — направляется
системой гидротехни-
ческих сооружений
в орошаемые каналы.
Щиты в плотине
играют роль регули-
ровщика движения во-
ды. При закрытых
щитах в плотине, пре-
граждающей русло ре-
ки, вода в больших
количествах направит-
ся в канал.
Модель головного
сооружения канала
имеет все необходимое
для создания полного
впечатления работаю-
щего водозаборного
узла. Но истоки «реки»
находятся под полом,
и в модель ее гонит
насос, соединенный
с электромотором. «Ре-
ка» напирает на плоти-
Песколовка-
143
ну и часть своих вод отдает каналу. Здесь вода после-
довательно' проходит ловушки для гравия и песка. Три
одинаковые камеры устроены так, что «река» замед-
ляет свой бег, и наиболее тяжелые твердые частицы
уже не могут увлекаться водою и падают на дно от-
стойника.
Это видно на модели, когда к чистой воде добав-
ляется грунт. Мутная у входа в «канал» вода делается
-прозрачной; в ней тем меньше песка и других твердых
частиц, чем дальше она пробегает по деревянному
рукаву отстойника.
Камеры отстойников загрязняются, в них постепенно
скапливаются наносы. Как же избавиться от этого
препятствия на пути воды? Оказывается, вода сама
должна убирать все принесенное ею в камеры отстой-
ника. Для этого нужно только открыть щиты галерей,
которые соединяют дно камер и реку. Вода, под напо-
ром устремляющаяся в донные галереи, уносит твер-
дые частицы, накопившиеся в отстойнике.
Возникает, конечно, вопрос: не будут ли галька
и песок засорять эти подводные сооружения? Нет. Они
устроены так, что в них вода завихряется, и водоворо-
ты «подметают» все попадающееся на дне галерей.
Нашли ученые и способ обнаруживать, где в реке
будут с особой силой расти наносы после сооружений
плотины. Во Всесоюзном научно-исследовательском
институте гидротехники и мелиорации подводными
разведчиками служат металлические пластины, укреп-
ленные в нескольких местах на дне лабораторной реки.
Сначала в модель пускается чистая вода. Видно,
как на дне «реки» лежат пластинки, словно плоские
донные рыбы, подстерегающие добычу. Но вот зара-
ботал специальный аппарат, насыщающий воду смесью,
подобной наносам в настоящей реке.
Вода быстро мутнеет, и такой она будет течь не-
сколько часов. Потом пластины вытащат. Некоторым
из них достанется богатый улова толстый слой ила
показывает, что в этом месте и в'реке наносы будут
достигать максимальной величины.
День за днем меняется расположение пластинок
в модели речного русла. Каждый раз наносы на пла-
144
станке высушиваются, измеряется их толщина, они
тщательно взвешиваются. Так постепенно получается
карта наносов, которые могут образоваться выше пло-
тины.
Профессор Шаумян начал работать над проблемой
очистки оросительных вод очень давно, еще когда
в Средней Азии ему приходилось видеть, с каким тру-
дом, вручную, очищались оросительные каналы. Но
только теперь найден правильный путь решения за-
дачи.
Струится вода из подземного бака, журчит, обегая
препятствия из стекла и дерева. Напряженной жизнью
живут лаборатории, в которых рождаются и совершен-
ствуются модели крупнейших гидротехнических соору-
жений. В них идет неустанная борьба за то, чтобы
любая плотина, любой канал были образцовыми, что-
бы труд людей, создающих эти сооружения, оставался
в веках.
Частички грунта, вырвавшиеся на волю, делаются
вредными и опасными. Но ведь эти же ничтожные
в отдельности частички образуют русло реки, ее бере-
га. Они служат основанием всех плотин и гидростан-
ций на гидроузлах. Из этих частичек воздвигаются
земляные плотины. Они повсюду являются опорой
любого сооружения, воздвигнутого на реке. Ибо, если
сдаст основание, не поможет избыточная прочность
всего остального.
СТРАНИЦЫ ИЗ ИСТОРИИ плотин
Проще всего строить плотину на твердом — скаль-
ном — грунте, если он находится не слишком глубоко
под песком, глиной, галькой — не глубже 5—10 мет-
ров.
Чем больше напор воды, давящей на плотину, тем
прочнее должно быть сооружение, тем оно дороже.
Особенно нелегко обеспечить надежность плотины на
мягких грунтах. При одинаковом напоре воды плоти-
на на песчаном или глинистом основании получается
в несколько раз тяжелее, чем воздвигнутая на подвод-
ной скале; объемы ее поистине огромны.
10 Тайны моделей
145
Там, где это возможно, целесообразно найти в ре-
ке подходящее для плотины скальное основание. Так,
Днепров-ская плотина имеет своеобразный вид широ-
кой дуги, потому что она воспроизводит очертание под-
водной скалы.
Однако самые мощные реки СССР текут по рав-
нинам с мягкими грунтами, долго считавшимися непри-
годными для постройки крупных плотин. Если бы у нас
осталась такая точка зрения, пришлось бы и Волгу
числить в списке рек, «малоудобных для гидрострои-
тельства». Но советские инженеры уже давно нашли
разнообразные способы, при помощи которых опасно-
сти любого грунта перестают грозить целости плотины.
На небольшой реке Свири, текущей в Ленинград-
ской области, из Онежского озера в Ладожское, совет-
скими инженерами был нанесен первый сокрушитель-
ный удар теории о «подходящих» и «неподходящих»
грунтах.
В 1926 году началось строительство гидроэлектро-
станции в низовье Свири, реки неспокойной, каприз-
ной. Геологическая разведка дна Свири принесла
неутешительные результаты: всюду попадалась только
мягкая, скользкая глина, уходившая далеко-далеко
вглубь.
Смущенные плачевными данными изыскательских
работ, некоторые инженеры заявили: «Надо бросить
это строительство. Нельзя столько сил и средств по-
тратить на сооружение, воздвигнутое на глине»:
Г. О. Графтио, начальник строительства, сразу
объявил войну тем, кто был за прекращение работ на
Свири. Он не покидал Свири ни днем ни ночью. Не-
сколькими сердечными словами он умел подбодрить
уставших, тех, у кого начинали появляться сомнения.
— Поэт, — говорили о нем скептики, — ему бы
стихи писать об этой проклятой реке, а не возглавлять
на ней стройку.
Но Графтио был настоящим инженером, становив-
шимся холодным, бесстрастным, когда дело доходило
до расчетов, до экспериментов. Он умел «алгеброй
гармонию проверить», ту самую гармонию, которая
звучала в его душе как гимн будущего.
146
Такой «алгеброй» на Свири было моделирование.
Графтио создавал одну модель Свири за другой. Мо-
дели, сооруженные по старинке, доказывали, что про-
тивники Свирьстроя были правы: рухнет плотина,
и рухнет не сразу, не в самом начале эксплуатации,
а спустя некоторое время. И катастрофа унесет много
жертв, причинит огромные убытки.
Но почему нужно строить только по старинке? Са-
мо моделирование наталкивало на новые смелые идеи,
шедшие против устоявшихся взглядов.
Плотина должна быть незыблемой, как скала.
Неподвижной должна быть и модель. Ну, а если дать
ёй возможность совершать некоторое движение, огра-
ничив его чем-нибудь? Что тогда произойдет?
Графтио вспомнил модели дирижаблей, у которых
подъемная сила создается... силой тяжести, потому
что перевернутую вверх ногами модель наполняют во-
дой. Сколько людей билось над этим вопросом на-
прасно, а Циолковский решил его так просто.
И вот Г. О. Графтио и свои модели заставляет
работать в совершенно необычных условиях, пре-
доставив плотинам возможность некоторого дви-
жения.
Для исследования глины, на которую должны были
опереться фундаменты сооружения, тут же, на строи-
тельстве, оборудовали отличную лабораторию. Научно-
исследовательские институты Ленинграда пришли на
помощь отважным строителям и в своих лабораториях
выполняли всевозможные работы для Свири, требо-
вавшие точного и сложного оборудования, длительных
испытаний на моделях.
В то время в СССР был известный американский
инженер Купер, строивший гидростанции и в Америке,
и в Европе, и в Африке, и в Индии. Он приехал на
свирскую строительную площадку, долго осматривал
места работы, знакомился с грунтом, с результатами
его исследований.
Инженерам Свирьстроя американский специалист
оказал:
— Если вы и построите здесь гидроэлектростанцию,
то все поседеете.
10*	147
В Москве Купер категорически заявил, что глини-
стый грунт реки Свири ни в коем случае не пригоден
для строительства плотин и гидроэлектростанций. Он
утверждал, что под страшным напором воды тело пло-
тины, покоящееся на грунте, который легко поддается
сжатию, может осесть и сместиться в сторону течения
реки.
Представьте себе, что вы палкой, как рычагом, под-
нимаете высокий камень. Сначала работа идет очень
трудно. Но вот вам удалось чуть-чуть наклонить ка-
мень в сторону его падения, и сейчас же, чтобы опро-
кинуть камень, усилий нужно несравненно меньше:
центр тяжести камня переместился, равновесие его
нарушено, и нужен еще лишь небольшой толчок, чтобы
камень упал.
Примерно то же самое происходит с бетонной мас-
сой плотины, оседающей на мягком, сжимаемом грунте
и наклоняющейся вперед по течению реки. Плотину,
выведенную из вертикального положения, изломать
воде будет несравненно легче, потому что ей помо-
гает тяжесть бетонных масс, стремящихся упасть впе-
ред.
Избежать сжатия мягкого грунта под тяжестью
плотины нельзя. На этом Купер и основывал свою
уверенность в неразумности попытки строить гидро-
электростанцию на «глиняной» Свири.
У Купера был уже богатейший опыт строительства
плотин. Он был хорошим, талантливым инженером, но
слишком полагался на авторитеты.
А молодой Г. О. Графтио, для которого Свирь была
первой по-настоящему проверкой инженерных сил,
свою уверенность в правоте основывал на научных вы-
водах, на смелой идее, проверенной экспериментом.
Поэтому заявление знаменитого американского ин-
женера-гидростроителя не испугало Графтио.
— Купер ничего не понимает! — воскликнул Граф-
тио, выслушав «резолюцию» Купера, ставившего крест
на всем Свирьстрое.
Многим это утверждение Графтио показалось
дерзким, самонадеянным. Но работы все же не были
прекращены.
148
Нижнесвирская плотина.
Чтобы заставить саму реку Свирь помочь строите-
лям и уплотнить грунт, на который должна была опе-
реться плотина, Г. О. Графтио придал особую форму
нижнесвирским сооружениям и немного наклонил их
против течения реки: напор воды, ставя их в вертикаль-
ное положение, одновременно должен был произвести
этим и сжатие грунта.
Потребовалось немало расчетов, проверок, моде-
лей. Варианты плотины браковались один за другим,
потому что во время испытаний они вели себя не так,
как следовало. Но, наконец, получили требуемое. По
этим данным и построили гидротехнические сооруже-
ния в низовье Свири.
Казалось фантастическим то, что делал инженер
Графтио: ведь даже валы турбин, огромных машин,
устанавливались не вертикально, наклонно! Один вид
такой турбины должен был вызывать ощущение качки,
как будто пол уходил в сторону, как на корабле, мед-
ленно поднимающемся на гребень волны.
Впервые в мире Графтио применил на Нижнесвир-
ской плотине своего рода «тормоз», усиливающий тре-
ние между телом плотины и грунтом. Водонепроницае-
149
мая тонкая железобетонная плита была положена на
дно реки и одним концом прикреплена к плотине. По-
верхность этой плиты, называемой понуром, очень ве-
лика. Вода надавила на нее с огромной силой, благо-
даря чему трение, препятствующее сдвигу плотины,
стало значительным.
Кроме того, Графтио увеличил и вертикальную си-
лу давления воды сверху плотины. Для этого плотине
придали распластанную форму, наклонив верховую
грань. Таким образом, трение между плотиной и грун-
том достигло значения, намеченного проектом.
С напряжением следили участники строительства
за тем, как постепенно наполняется водохранилище,
образованное плотиной. Вот уже достигнут проектный
напор воды. Бетонная часть плотины нижней Свири
под напором и тяжестью воды и всей станции поверну-
лась по течению реки и приняла вертикальное положе-
ние — точно как рассчитывал Г. О. Графтио.
Уже многие годы превосходно работает эта первая
в мире гидроэлектростанция, построенная на нескаль-
ном грунте, на глине. По такому же принципу впо-
следствии на нескальных грунтах были построены
верхневолжские гидростанции. На нескальных основа-
ниях воздвигнуты и гиганты — Куйбышевский и Ста-
линградский гидроузлы.
А что же произошло с Купером? Какова была его
дальнейшая судьба?
Во время постройки электрической станции в тро-
пиках он сильно заболел. Переутомление грозило ему
нервным расстройством, и Купера отправили отдыхать
в штат Мэн, на пустынный берег Атлантического
океана у залива Фэнди, недалеко от бухты Пассамак-
водди. Здесь не было ни электрических проводов, ни
автомобилей, ни других машин, которые могли на-
помнить Куперу о его инженерной деятельности. Толь-
ко океан, буревестники, чайки1. В бухте Пассамакводди
берег похож на множество отдельных озер и прудов,
связанных друг с другом тонкими каналами, вьющими-
ся среди островов и мысов. В неко'сорых водоемах вода
тиха и прозрачна, как в аквариуме, в других она
стремительно течет, пенясь и волнуясь. В определенное
150
время, заливая высокие голые скалы, катится на бе-
рег чудовищный водяной вал высотою ДО' 20 метров.
Вода врывается в узкие проходы между берегами, на-
полняет внутренние бассейны. Проходит несколько ча-
сов, и с тою же стремительностью океан втягивает
обратно свои колоссальные «'присоски», наброшенные
на сушу.
Однажды Купер увидел, как, беспомощно вертясь
среди волн, в канале, соединяющем океан с внутрен-
ними бассейнами, пронеслась пустая спасательная
лодка. Скорость движения ее белого корпуса, четко
вырисовывавшегося на фоне черных, почти отвесных
берегов, позволила Куперу тут же на песке ориентиро-
вочно вычислить энергию, день за днем тратившуюся
напрасно океаном в бухте Пассамакводди: 500 тысяч
лошадиных сил. Что, если эти силы моря заставить
вращать валы электрических генераторов?
Купер не был мечтателем. Громадный проект, по-
казавшийся на первый взгляд фантастическим, инже-
нер стал терпеливо разрабатывать теоретически. На
это ушло пять лет. Целое инженерное бюро изучало
весь берег залива Пассамакводди на протяжении
640 километров. В Истпорте, маленьком городишке ры-
баков, была устроена лаборатория с точной моделью
берега.
На этой модели, представлявшей поистине велико-
лепное инженерное сооружение, Купер выстроил «пло-
тину», о которой он мечтал во время болезни. Миниа-
тюрные электрические устройства открывали и закры-
вали шлюзы, вода напирала на плотину, подобно
океанскому приливу, и устремлялась по отведенному
ей каналу, вращая модели турбин.
Оставалось одно: финансировать постройку первой
в мире океанской приливной станции. Но желающих
вложить свои деньги в предприятие не нашлось, а тре-
бовалось немало — 60—80 миллионов долларов. Тогда
Купер обратился к правительству США.
Толпы безработных бродили по городам Америки.
В самом штате Мэн одно за другим закрывались пред-
приятия, люди голодали, бросали свои углы и жалкий
скарб ради призрачной надежды получить работу
151
в больших городах. На строительстве станции Пасса-
макводди, согласно проекту Купера, можно было за-
нять около 20 тысяч человек. Она должна была превра-
тить нищий, суровый штат Мэн в цветущий край,
создать грандиозный, идеально тихий и удобный порт,
расположенный на 480 километров ближе к Европе,
чем любая другая американская гавань.
Но, узнав о проекте, сразу забеспокоились владель-
цы электростанций. Одна новая станция, даже мощ-
ностью в 500 тысяч лошадиных сил, не могла сама по
себе представлять большой угрозы доходам торговцев
электричеством. Капиталисты испугались принципиаль-
но нового: использования энергии океана. Они боялись,
что приливные станции причинят большой ущерб круп-
ным капиталам, вложенным в обычные электро-
станции. И их владельцы решили раз и навсегда по-
кончить с куперовской идеей.
Комиссия, которой было поручено изучить станцию
Пассамакводди, «взяла быка за рога»: предложила
инженеру Куперу за весь его проект и все права 60 ты-
сяч долларов; отлично зная, что работы Купера обо-
шлись свыше 500 тысяч долларов. Согласие Купера за
одну десятую истинной стоимости отдать права на по-
стройку станции Пассамакводди было таким неожи-
данным ударом, что ее противники растерялись. Им
пришлось дать согласие на начало работ в заливе
Фэнди.
А между тем враги приливной станции непрерывно
вели под плотину сложный подкоп. Взорвать ее они
решили долларом. Эксперты выяснили, в какую долю
цента будет обходиться киловатт-час энергии станции
при финансировании из 5 процентов и из 3 процентов
частными лицами и государством. Они обследовали
имущественное положение жителей штата Мэн, вычи-
слили коэффициент плотности населения со всеми воз-
можными поправками. Вывод был неожидан и оглу-
шителен, как взрыв целого склада динамита: строи-
тельство станции надо прекратить немедленно.
Вычисляя расходы, сравнивая доходы, даваемые
приливной станцией и обыкновенными установками,
владельцы электростанций ни слова не упоминали
152
о том, что новую станцию в штате Мэн можно по-
строить и она будет обслуживать громадный район,
а тепловая станция подобной мощности никогда здесь
не появится. Этих людей абсолютно не интересовало
практическое решение важной экономической и техни-
ческой проблемы; они не думали о благосостоянии на-
селения штата, о работе для тысяч квалифицирован-
ных рабочих. Для них было важно одно: доказать, что
доходов приливная станция принесет в данное время
меньше, чем другая станция. Это был единственный
пункт, по которому можно было нанести удар.
Техническую сторону проекта станции даже враги
признавали безукоризненной. И, похоронив проект, они
лицемерно заявили: «Великолепное сооружение можно
будет воздвигнуть когда-нибудь потом, когда станция
сможет приобрести интернациональное значение...»
Инженер Купер посетил место крушения своей
мечты, когда строительная площадка уже совсем
опустела.
Ночью он, стоя на берегу, смотрел, как катится по
океану многометровая стена воды и с тяжелым гулом
разбивается в узком устье бухты Кобскук. И, может
быть, здесь он вспомнил далекий-далекий берег реки
Свири, угрюмый, ненастный день и группу молодых
советских инженеров, которым он изложил свой суровый
приговор «фантастическому» проекту создания мощной
плотины на «глиняной» Свири, плотины, построенной
вопреки всему и ставшей прекрасным памятником сво-
им отважным строителям.
Необычайно быстрому успеху в овладении всем
новым, неизвестным, неисследованным в гидротехнике
в нашей стране помогает то, что достижения отдельных
ученых и инженеров в этой области, как и во многих
других, быстро развиваются, совершенствуются. По-
этому у нас создание новых плотин почти всегда было
и новым этапом в истории гидротехники страны.
Прогресс гидротехнического строительства в СССР
тесно связан с развитием специальных научно-иссле-
довательских организаций.
Первенец электрификации Советского Союза Вол-
ховстрой вызвал появление в Ленинграде в 1924 году
153
гидроэлектрической лаборатории. Гидроэлектрострои-
тельство Армении потребовало создания гидроэлектри-
ческой лаборатории при Водноэнергетическом инсти-
туте в Ереване.
Строительство Беломорско-Балтийского канала
и канала имени Москвы чрезвычайно расширило ла-
бораторную базу Гидропроекта, которому в даль-
нейшем постановлением правительства было поручено
проектирование и исследование ответственнейших гид-
роузлов.
Каждое строительство требовало своих моделей,
особых серий опытов с ними. Ученые, чьи имена сейчас
хорошо известны не только в нашем Союзе, но и во
всем мире, приобрели богатейшие навыки и в создании
огромных сооружений и в постройке их лабораторных
подобий.
Благодаря упорному вдохновенному труду наших
ученых в теорию и практику моделирования плотин
вносились новые идеи, новые, более совершенные про-
стые и точные методы. И теперь с вопросами, которые
исследователи раньше называли трудными, легко
справляются студенты, занимающиеся изучением мо-
делей в специальных высших учебных заведениях, ве-
дущих исследовательские работы для помощи гидро-
техническому строительству.
Какой героический труд был нужен, чтобы на всем
протяжении грандиозной Куйбышевской плотины опре-
делить взаимодействие слабого грунта и громады из
бетона и земли, по сравнению с которой все суще-
ствующие гидротехнические сооружения кажутся ма-
лютками! И какое глубокое проникновение в самую
суть явлений, происходящих в реке, в массе плотины,
нужно, чтобы результаты испытаний на маленьких
лабораторных сооружениях переносить на эти искус-
ственные горы, возникающие на Волге.
Порою, когда в лаборатории смотришь на деревян-
ный брусок (с разными отверстиями в нем), который
называют плотиной, не веришь собственным глазам.
Но в этом бруске исследователь создал главные усло-
вия подобия с громадной плотиной, достаточные для
приближенных выводов, для быстрых исследований.
154
Труд специалиста, делающего модели, имеет общие
черты с вдохновенной работой художника. Сначала
эскиз, дающий представление о целом, позволяющий
судить о правильности или ошибках композиции. По-
том упорная работа над деталями, идущая параллель-
но с отделкой всей модели, в которую входят эти де-
тали. Модель из эскизной становится все более точной,
все более сложной, все более охватывающей важней-
шие стороны натуры.
Уже эскиз позволяет производить исследования,
результаты которых годятся для первой проверки тео-
ретических расчетов.
Опыты с моделями Цимлянской плотины дали воз-
можность внести коренные изменения в конструкцию
плотины, в методы постройки. Цимлянская плотина,
поднимающая уровень Дона более чем на 26 метров,
сооружена на мелкопесчаном грунте с илистыми про-
слойками. Огромная ответственность выпала здесь на
долю геологов, которые провели исследования грунта
для основания плотины. Породы, на которые должна
была лечь масса плотины, долго изучались в геотехни-
ческой лаборатории Гидропроекта: исследуя ил и пе-
сок, взятые со дна Дона, надо было наиболее правиль-
но выбрать и рассчитать размеры и вес гигантского
сооружения.
Изучение Сталинградской плотины на ее огромной
модели, построенной в Viso нормальной величины
у подножья Мамаева кургана, в Сталинграде, очень
облегчило труд проектировщиков, придало им уверен-
ность в правильности выбранного пути, указало на не-
дочеты.
В районе Сталинграда Волга каждую секунду про-
носит мимо города 2,5—3 тысячи кубометров воды.
В паводок поток воды увеличивается в несколько раз.
В 1951 году Волга здесь несла 28 тысяч кубометров
воды в секунду!
Плотина, рассчитанная для работы в нормальных
условиях, должна отлично выдерживать и такой еже-
годный весенний штурм. Поэтому модель плотины у
Мамаева кургана испытывалась в расчете на поток
в 60 тысяч кубометров воды — не виданный на Волге.
155
Исследователи модели располагали мощной насос-
ной установкой, дававшей 220 литров воды в секунду,
и специальным водомерным павильоном с измеритель-
ными и регулирующими приборами. Поворот несколь-
ких кранов — и на плотине угрожаемое положение.
Готовясь к встрече паводковой воды, инженеры откры-
ли все донные отверстия для пропуска воды и щиты
на водосливной части плотины. Водомерные приборы
указывают огромный расход воды — 60 тысяч кубо-
метров в секунду (модельных, конечно!).
Поток бурно мчится через водослив, он залил «ост-
ров» и «берега». Плотина с честью вышла из трудного
испытания. Значит, и натура справится с любым
паводком, возможным на Волге.
Таков результат опытов с моделью. Их ценность —
в возможности заглянуть в будущее, встретить любую
опасность лицом к лицу и убедиться, что она не
страшна.
Пренебрежение каким-либо важным обстоятель-
ством, характеризующим жизнь реки, приводит к са-
мым тяжелым последствиям.
В 1922 году в Северной Японии, в префектуре Аки-
та, построили большую бетонную плотину высотой
в 61 метр и длиной 213 метров.
Плотина преграждала горную реку и была пред-
назначена для работы гидроэлектростанции и водо-
снабжения нескольких населенных пунктов.
Инженеры, участвовавшие в строительстве плоти-
ны, провели многочисленные испытания на моделях.
Испытывалась прочность плотины, исследовалась рабо-
та турбин, оросительной системы. Но гидрологиче-
ский режим реки достаточно не был изучен. Инже-
неры не знали, какой в этой местности бывает макси-
мальный паводок, не испытали прочность сооружения
при нем и не предусмотрели устройств, необходи-
мых для сброса воды, угрожавшей целости соору-
жения.
И вот в 1936 году такой паводок случился и пло-
тина рухнула. Поток воды, вырвавшейся неожиданно
на волю, снес множество зданий и в несколько мгнове-
ний погубил тысячу человек.
156
Модели этой плотины, отлично сделанные, храни-
лись в музее как образец искусства японских гидро-
техников.
Когда плотина рухнула, о ее моделях вспомнили и
воспроизвели на них паводок, погубивший сооружение
и множество людских жизней. Как только вода в моде-
ли поднялась до уровня паводка, в центре плотины
образовалось большое круглое отверстие, из которого
забила струя воды длиной в несколько метров. Спустя
мгновение рухнуло и все сооружение. Так же происхо-
дила и настоящая катастрофа.
История плотин полна подобных примеров. Многие
из них порою даже кажутся совершенно загадочными.
Американская плотина Холе Бэр долгое время со-
всем не поднимала воды. Кое-кто заговорил уже о чер-
товщине, о том, что, очевидно, утопленникам с парохо-
да «Чайка»,^погибшего здесь много лет назад со всеми
пассажирами и командой, не нравится, что место их
гибели избрано для создания плотины. Только настой-
чивые геологи-исследователи, произведшие работы, с
которых надо было начать строительство, доказали, что
вода просто-напросто уходит через пустоты в грунте.
В Испании плотина Монте-Хахе и во Франции пло-
тина Сен-Гилельм-де-Дезер показывали, что происхо-
дит, когда строительство гидротехнических сооруже-
ний выполняется без тщательного предварительного
изучения грунта: вода здесь вообще не образовала во-
доемов, а ушла в сторону по подземным пустотам. Пло-
тины, вызывая изумление, стояли на сухом месте.
Попытки строить плотины на мягких грунтах неред-
ко кончались тяжелыми катастрофами, если модели-
рование применялось лишь для испытания отдельных
деталей, а не для решения всей задачи в комплексе.
В 1923 году в Испании рухнула плотина Глено. Ка-
тастрофа унесла 500 жизней людей. Экономя средства,
инженеры сделали основание плотины недостаточно
широким, и грунт, слишком сильно сдавленный на срав-
нительно небольшом участке, не выдержал.
Падение плотины Сан-Фрэнсис высотою 62,5 метра
погубило 400 человек. Здесь тоже грунт оказался недо-
статочно прочным при большом подъеме воды.
157
БОРЬБА С ВОДОЙ
Энергию воды часто называют «белым углем», хо-
тя никто не видел воды белого цвета. Только низверга-
ясь с высоты, налетая на какое-нибудь препятствие, —
словом, совершая работу, вода вскипает белою пеной.
Это и натолкнуло на мысль назвать энергию воды «бе-
лым углем».
«Белый уголь» — самый дешевый, но «водяных
лошадей», дающих его, нелегко запрячь, чтобы посто-
янно держать их в узде и управлять их энергией. Вы-
рвавшись из плена гидротехнических сооружений, вода
наносит сокрушительные удары. Энергия, развиваемая
при этом, достигает колоссальных величин.
Например, на каждый метр водосливного фронта
одной высокогорной плотины по расчетам инженеров
приходилось 6 400 лошадиных сил: в этом случае вода
низвергалась с высоты 100 метров. Погасить эти раз-
рушительные силы или сделать их безопасными очень
нелегко. Но пленить «диких водяных лошадей» — та-
кая заманчивая задача, что приходится преодолевать
многие трудности.
Тысячи лет в реке, бурля и пенясь, мчалась вода,
бесполезно расходуя силы. Теперь соорудили гидро-
станцию, и машины словно черпают из воды бесплат-
ную неистощимую энергию.
Каждое колесо куйбышевских турбин рассчитано
для действия в потоке, равном 600 кубическим метрам
в секунду. Что же дает один кубический метр воды?
Падая с высоты, например, в 12,5 метра, он, вращая
колесо турбины, соединенной с электрогенератором,
вырабатывает количество электрического тока доста-
точное, чтобы накалить 1 000 стоваттных ламп или
дать энергию для 20 станков, обрабатывающих металл.
Энергии кубометра воды, каждую секунду падающего
с высоты 12,5 метра, хватит и для работы трех элек-
тротракторов.
Не вся вода, задержанная плотиной, совершает по-
лезную работу. Часть потока приходится сбрасывать
через гребень плотины, минуя турбины. Такой «водо-
пад» на Цимлянской плотине на каждом метре ее дли-
158
ны дает энергию — разрушительную — до 12 тысяч
лошадиных сил.
Чудовищный водяной кулак, бьющий по грунту
ниже плотины, представляет угрозу целости всего соо-
ружения. Надо обязательно заставить разжаться этот
кулак, чтобы его распрямленные пальцы — струи —
потеряли большую часть своей силы. Выбор наилучше-
го способа гашения энергии падающей воды требует
множества предварительных экспериментов, испытания
всевозможных моделей.
Еще при создании Днепрогэса была организована
специальная лаборатория, изучавшая, как будут рабо-
тать устройства, предложенные конструкторами для за-
щиты всего сооружения от разрушительных ударов во-
ды, как громадная Днепровская плотина повлияет на
судоходство по реке.
В этой лаборатории построили модель Днепрогэса
очень больших размеров. Длина ее была около> 18 мет-
ров, а ширина около 5 метров. Модель воспроизводила
основные сооружения натуры и позволяла исследовать
скорости потока воды в определенных точках. Откры-
вая отверстия в модели плотины, подобные отверстиям
в настоящей плотине, инженеры наблюдали, как бурно
стекающая вода образует водовороты в нижнем тече-
нии, как раскачиваются и прибиваются к берегу фло-
тилии судов-моделей.
Чтобы днепровская вода ниже плотины не разру-
шала дна, строители должны были воздвигнуть струе-
направляющие валы-дамбы. На модели Днепрогэса
долго изучалось действие дамб, отыскивался способ их
наилучшего расположения. Испытания этой модели не
только очень помогли проектировщикам и строителям
Днепрогэса, но и явились важным этапом в развитии
советского моделирования крупных гидротехнических
сооружений.
А как модели Днепрогэса послужили для самого
строительства, пожалуй, лучше всего доказано проч-
ностью гидроузла, когда за его уничтожение взялись
руки специалистов по разрушению. Много трудов при-
ложили гитлеровские военные инженеры, чтобы навсе-
гда вывести Днепрогэс из строя. Но это им не удалось.
159
Основные сооружения, даже подвергшиеся действию
сильнейших взрывчатых веществ, устояли, и Днепров-
ская гидроэлектростанция была восстановлена совет-
ским народом в предельно короткий срок.
Сброс воды через отверстия в плотине — это
своего рода «кровопускание»: мера нелегкая, но совер-
шенно необходимая, иначе может возникнуть огромный
избыток давления на плотину, да и будет мелеть река
ниже плотины, так как воды, пропускаемой через тур-
бинные камеры, недостаточно для сохранения нормаль-
ного уровня реки.
Слой воды, лыощрйся через железобетонную Цим-
лянскую плотину, достигает 9 метров при высоте
падения в 25 метров. Огромное значение имеет про-
филь части плотины, через которую сливается вода.
Поток должен всюду как можно плотнее прилегать
к поверхности плотины. Если вода где-либо оторвется
от тела плотины, между ними образуется пустота, ва-
куум. При этом отрыве воды от плотины будут увле-
каться и частицы бетона. Начнется разрушение поверх-
ности плотины. Кроме того, резкие толчки, сопровож-
дающие образование пустот на водосливе, сотрясают
всю плотину, угрожают ее целости.
Бетонная часть плотины, где происходит сброс во-
ды,— одно из самых дорогих гидротехнических соору-
жений. Поэтому советские специалисты всячески ста-
раются уменьшить длину водосливной плотины. В под-
водной части между турбинами устраиваются водо-
сбросные отверстия и через них пропускается паводко-
вая вода. Благодаря этому размеры самого водосли-
ва очень уменьшаются.
Длина водосливной плотины Каховской ГЭС сокра-
тилась против первоначальной проектной, потому что
решено было применить водосбросы в нижнем блоке,
между турбинами в бетонном массиве, который рань-
ше вообще использовался как конструкция недоста-
точно. Гидротехники теперь заставляют его работать
с большей нагрузкой.
Им приходит идея и вовсе отказаться от водосливной
плотины. Это дает огромную экономию и материалов
и труда. Надо сделать только более крупные отверстия
160
в нижнем блоке плотины, чтобы через них можно было
пропускать все необходимое количество паводковой
воды. Но как это отразится на всей напряженной жизни
гидроузла?
Смелые новаторские приемы требуют не только
расчетов, но- и многих опытов на моделях, так как мате-
матический анализ не всегда может дать ответ.
Кафедра использования водной энергии Москов-
ского института инженеров водного хозяйства имени
В. Р. Вильямса произвела интересные и важные испы-
тания моделей плотины с водосбросами, расположен-
ными в нижнем блоке. Для наблюдения за тем, что
совершается в водосбросах, модели этих сооружений
изготовили из плексигласа. В лаборатории были со-
зданы прозрачные водосбросы двадцати различных
форм, и, определяя их пропускную способность, пол-
ностью направляя через них паводковые воды, ученым
на модели удалось установить важные особенности
плотин нового типа.
Чтобы занесенный над плотиной гигантский водя-
ной кулак, обрушивающийся со всей сосредоточенной
силой на дно, не повредил грунта, его необходимо по-
крывать бетонной броней длиною 150—200 метров.
Часть этой брони составляет водобой — массивная бе-
тонная плита толщиною от 1 до 5 метров с различными
выступами — гасителями энергии — и водобойной стен-
кой в конце.
Удар воды первыми встречают рассекатели — же-
лезобетонные «клыки» высотою в 2,5 метра. Опыты на
моделях показали, как лучше всего расположить сорок
восемь рассекателей, направляющих «разрезанные»
потоки воды на водобойную железобетонную стенку.
«Клыки»-рассекатели разжимают водяные пальцы
кулака, обрушивающегося на дно, заставляют их тра-
тить энергию на удары друг о друга. Еще дальше на-
ходится возвышение, называемое водобойной стенкой.
О нее ударяются уже распрямленные «пальцы» —
струи воды. Стенка заставляет их подняться вверх и
столкнуться с верхними слоями воды.
Так гасится энергия воды, сливающейся через пло-
тину Цимлянского моря в виде массы с почти единым
11 Тайны моделей
161
направлением сил, но разбиваемых системой защиты
на отдельные части, действующие друг против друга.
Свою последнюю энергию поток отдает глубокому ков-
шу, устроенному за плотиной.
Скорость воды, падающей через гребень Цимлян-
ской плотины, достигает 20 метров в секунду. При та-
кой скорости вода могла бы размыть песок на глубину
нескольких десятков метров. Но, пройдя все «ловуш-
ки», устроенные гидротехниками на пути, поток воды
уже течет со скоростью, не достигающей и одного мет-
ра в секунду. Водопад, недавно способный разрушить
скалу, превращается в тихую реку, оставляющую
в покое даже песчинки на дне.
И все же дно реки за водобоем требует защиты.
К водобою присоединяется рисберма — ряд бетонных
плит. Вода за плотиной совершает настолько сложный
путь, что теоретически ее движение до сих пор всесто-
ронне не изученЪ. Например, в теории нет ответа на
вопрос, какой длины должна быть рисберма.
Проблема эта решается на моделях, часто очень
больших. Вода за водосливом делает в речном грунте
воронки. В одной гидравлической лаборатории прове-
дено было много исследований на моделях, чтобы опре-
делить, как длина рисбермы действует на воронку
в грунте, ниже водосливной плотины. Воронка, словно
высверливаемая гигантским буравом в дне реки, уда-
ляется или приближается к сооружению в зависимости
от типа защитных устройств, их числа, способа разме-
щения.
Опыты этой гидравлической лаборатории показали,
что при длине рисбермы в 73,5, 65 и 40 метров наиболь-
шая глубина воронки достигает 17 метров, и эта глу-
бина погружения «водяного бурава» в грунт остается
неизменной, но воронка удаляется от плотины тем
дальше, чем длиннее рисберма. Таким образом, рисбер-
му приходится делать очень длинной. На нее и на во-
добой иногда тратится почти такое же количество бето-
на, как и на тело плотины.
Выбор типа гасителей энергии падающей воды —
одна из важнейших задач исследователя. Многое здесь
подсказывает инженеру теория, но самые тщательные
162
расчеты иногда не оправдываются при испытании соо-
ружения на практике, на модели.
Вот в большой модели вода с силой ударяется
о гасители зубчатой формы. Струи, несшие вперед зна-
чительную разрушительную энергию, отклоняются поч-
ти под прямым углом к поверхности. Здесь происходит
столкновение потоков воды и взаимное гашение их
энергии.
Скорость воды у дна уменьшается гасителями при-
мерно на 50 процентов. Но теория не могла предусмот-
реть, что будет происходить с различными предметами
и льдом, плывущими в реке. Модель же показывает,
как за плотиной стремительно ныряют искусственные
обломки, куски льда. Они ударяются о гасители,
движутся в обратном направлении, к плотине. Их ско-
рость так велика, что удар этих «утопленников» о соо-
ружения становится опасным — ведь таких ударов,
следующих друг за другом, будет множество. И гаси-
тель, допускающий подобные явления, после тщатель-
ного исследования получает неудовлетворительную
оценку.
Говорят, что вода, даже кристально чистая, —самое
грязное вещество на свете. Этим хотят подчеркнуть
чрезвычайную сложность явлений в воде, трудность
изучения запутанных физических процессов в ней при
различных условиях.
Опыты на моделях гидротехнических сооружений
открывают глазам исследователей такие подробности
давно известных явлений, о которых раньше никто и не
подозревал.
У всех гидротехнических сооружений, у берегов ка-
налов и рек дно размывается вследствие того, что поток
встречает препятствие. Но как движется часть жид-
кости, наиболее виновная в этом размывании?
Исследования на моделях установили сложный ме-
ханизм движения воды после удара о препятствие, на-
пример о плотину. Ток жидкости здесь направляется
круто вниз. И скорость этой воды, падающей, как ги-
гантское тонкое лезвие, на дно, во много раз больше
скорости, с которой вода набегает на препятствие.
Поэтому в месте удара такого тока о дно грунт размы-
11*
163
вается. Этот разрушающий слой воды настолько тонок,
что его не удавалось обнаружить обычными способами
измерений, применяемых в гидротехнике.
Размыв грунта всегда совершается у самого осно-
вания плотины. Слой воды, с наибольшей энергией по-
сле удара о плотину опускающийся на дно, встречает
на своем пути другие слои воды, которые еще только
подходят к плотине. При их столкновении энергия ни-
сходящего потока воды гасится почти вся, и только
тонкий слой у самой плотины успевает прорваться и на-
нести удар по дну.
Модели, на которых были открыты эти разруши-
тельные «микрослои» воды, помогли отыскать и сред-
ство борьбы с ними. Оно оказалось нехитрым, так как
проще Всего предоставить гашение энергии воды самой
же воде.
На определенном расстоянии от плотины скорость
нисходящего тока воды равна нулю. Значит, укреплять
дно реки у плотины, учитывая действие «водяной брит-
вы», надо только до этой границы, где побеждает вода,
бегущая к плотине.
Во всей борьбе с водою инженерам важно наблю-
дать за скоростью и за направлением водяных струй,
наталкивающихся на то или иное препятствие в моде-
лях. Есть много различных способов делать зримым
неуловимый для глаз бег отдельных слоев воды. Можно
пользоваться поплавками, держащимися на поверх-
ности, ярко окрашенными шариками с таким удельным
весом, чтобы они плыли на разной глубине. Иногда
к проволокам, натянутым поперек потока, привязывают
короткие нити, и они вытягиваются в разные стороны,
как донные травы, увлекаемые течением. Сильные кра-
сители, вылитые в воду, тоже помогают улавливать на-
правление струй. В местах водоворотов быстрота
смешивания краски с водой позволяет судить о ско-
рости движения водяных вихрей.
В лабораториях Гидропроекта для изучения спо-
собов гашения энергии воды была устроена большая
модель Куйбышевской водосливной плотины. Здесь
все по-настоящему: с глухим монотонным шумом па-
дает вода, сердито пенится, покрывается валами
164
Поток в лаборатории.
мертвой зыби и, словно проглаженная невидимым
утюгом, течет дальше, потеряв избыток энергии в борь-
бе с препятствиями у дна модели.
Вода покрыта поплавками с короткими свечами, и
плывущие огоньки выдают секреты водяных струй.
Чуть мерцающая свеча плыла все время по одной ли-
нии, как будто поплавок кто-то тянул на нитке. Но
неожиданно огонек уклоняется вправо, делает слож-
ный поворот, потом другой, третий и снова движется
по прямой. Кажется, что поплавок, выполнив па
какого-то танца, скользит дальше, чтобы вдруг заме-
реть на месте, сделать стремительный пируэт и потом,
плавно покачиваясь, двинуться вперед.
Движение повторяется раз, два. Но' сейчас же вслед
за этим огонек беспощадно вертится — он подхвачен
вихрем водяных струй, и ни один человеческий глаз
не восстановит рисунка, вычерченного на поверхности
воды светлым пятнышком свечи.
Однако то, что не может сделать человеческий
глаз, легко и точно выполняет стеклянный глаз фото-
аппарата, подвешенного на особой тележке у потолка
лаборатории. Аппарат нацелен вертикально вниз, и
каждую секунду электрический маятник замыкает
контакты цепи, приводящей в действие затвор фото-
графической камеры.
На снимках движения огоньков-разведчиков рисуют-
ся тонкими пунктирными линиями. Иногда пунктир
так запутан, что напоминает карту с нанесенным на нее
путем безнадежно заблудившегося странника. Опытные
глаза исследователей тайн воды быстро расшифровы-
вают значение каждой петли, каждой причудливой
завитушки, вычерченной огоньком на фотопленке.
Приглядевшись к этим снимкам, можно заметить,
что не все линии чертятся одинаковым пунктиром:
иногда отрезки линий длиннее, иногда короче, а порою
они превращаются в настоящие точки. Чем быстрее
плывет поплавок, тем больший путь успевает он прой-
ти, пока его пассажир — огонек посылает свой све-
товой сигнал чувствительному слою пленки. А попав
в «тихую заводь», почти не двигаясь, свеча дает сни-
мок в виде маленького светлого пятнышка.
166
Чтобы заложить фундамент Куйбышевской ГЭС,
строительную площадку было решено отрезать от реки
гигантской перемычкой в виде полукольца. Сдавлен-
ная препятствием Волга должна была обратить на его
уничтожение огромные силы, и перемычку надо было
построить так, чтобы энергия размывания получалась
наименьшая, то-есть течение струй должно всемерно
замедляться у земляной насыпи. Эта скорость зависит
от формы препятствия, о которое ударяется текущая
вода.
Различные модели земляных перемычек в Гидро-
проекте прошли самые суровые испытания, и светя-
щиеся пловучие поплавки участвовали в оценке
устройств, предназначавшихся для защиты перемычки
от размывания.
Очень эффективным средством оказалась шпора-
глушитель. Она действительно напоминает шпору,
укрепленную на краю перемычки, встречающем на-
пор воды. Острие шпоры обращено перпендикулярно
течению, и вода, наткнувшись на это препятствие,
отклоняется в сторону и теряет свою скорость, уда-
ряясь о потоки, текущие прямо вдоль реки. Благода-
ря такой форме шпоры дно у перемычки не только
не размывается, но на нем откладываются наносы,
образующие косу, служащую добавочной защитой
части перемычки.
Светлячки на поплавках очень убедительно пред-
сказали, какую роль будет играть шпора-глушитель.
На фотоснимках у перемычки видны петли разной
формы из светлых точек. Здесь происходят сильные
завихрения, и скорость течения тормозится.
Совсем иначе ведут себя струи, омывая земляную
перемычку без шпоры. Они плотно жмутся к продоль-
ной части перемычки, их пути здесь выглядят почти
прямыми линиями, указанными довольно длинными
отдельными тире пунктира. Кропотливые опыты со
светящимися поплавками помогли проектировщикам
выбрать наилучший способ, чтобы предупредить раз
мывание земляного вала перемычки.
Песок на дне лабораторных рек позволяет обнару-
живать недостатки в системе защиты дна реки от раз-
167
рупгительного действия воды, падающей с водосливной
части плотины. В лаборатории Гидропроекта была
сделана модель водосливной части плотины Куйбы-
шевской гидроэлектростанции, на которой изучалось
действие различных «гасителей» энергии падающей
воды.
Модель Куйбышевской гидростанции была в 75 раз
меньше натуры, но благодаря точному подобию она,
опередив время, показала, что будет происходить
в русле Волги, когда там воздвигнут грандиозное
сооружение. Вернее, модель показывала то, чего не
должно было происходить у настоящей плотины, чего
следовало опасаться.
Вот низвергающаяся вода пенистым буруном как
будто топчется на одном и
стены водосливной плотины,
Вода размывает дно у миниа-
тюрной плотины.
том же месте, у самой
Сквозь прозрачную стен-
ку лотка, образующего
руслом реки, можно видеть,
к чему приводит эта бе-
шеная пляска воды. Пе-
сок на дне, тот самый
песок, на котором должна
стоять настоящая плоти-
на, покрывается буграми.
Он шевелится, течет вме-
сте с водою. И когда опыт
прекращается, дно «реки»
у плотины представляет-
ся таким, как будто оно
перенесло землетрясе-
ние, — всюду бугры, ямы,
трещины.
На модели вода укро-
щается удивительно про-
сто. У основания плоти-
ны ставится забор из
пирсов — рассекателей
воды. Вода с прежней
скоростью стекает с водо-
слива: это проверяет при-
бор, установленный на
168
ее пути. Но нет уже пенистого буруна — пирсы словно
разжевывают, раздробляют массу воды, и она, прой-
дя их зубы, еще более успокаивается у порога — невы-
сокого вала, тянущегося поперек потока.
Пирсы и порог, вызывая завихрения, заставляют
струи воды «толочься на одном месте». Вода идет
длинным путем, на котором тормозится и гасится
энергия вала, падающего с высоты «куйбышевского во-
дослива». А этой энергии немало! На Волге у Куйбы-
шева каждую секунду через плотину могут низвер-
гаться сорок тысяч кубометров воды. Миллионы лоша-
диных сил действуют здесь.
Вода стремится сдвинуть плотину не только «пря-
мыми путями», напирая на нее, разрушая водяными
ударами дно реки по ту и по эту сторону сооружения,
но и действуя в обход. Грунты в основании плотины
чаще всего дают воде воз-
можность просачиваться
в глубину: под землей
появляется особый поток,
хотя и движущийся не-
сравненно медленнее, чем
в реке. Тоненький подзем-
ный ручеек, сначала едва
заметный, все увеличи-
вается и увеличивается.
Его давление направлено
снизу вверх, и, таким об-
разом, он словно умень-
шает вес плотины. Реке
становится легче опроки-
нуть все сооружение. Вес
плотины поэтому являет-
ся защитой ее целости.
Приходится утяжелять
плотину только для того,
чтобы она сильнее дави-
ла на грунт.
Огромные расходы,
связанные с созданием
мертвого веса грандиоз-
Укрощение воды рассекате-
лями.
169
кого сооружения, побуждают советских гидротехников
искать новые пути борьбы с водой, совершающей
подкоп плотин. Модели здесь сыграли исключитель*
ную роль, помогая проверять расчеты на практике.
Чтобы уменьшить вес плотины без угрозы для ее
стойкости, заставляют воду реки давить на сооруже-
ние не только в горизонтальном направлении, но и
в вертикальном, сверху, уничтожая, таким образом,
давление снизу, со стороны «подкапывающейся» воды.
Для этого плотине придают «распластанную» форму.
Такую форму плотин, как мы знаем, создал академик
Графтио.
Вода давит на увеличенную поверхность плотины
и сама создает «пригрузку» вместо мертвого веса доро-
гого бетона или других материалов, укладка которых
требует огромных расходов.
Прочность самих стенок плотины может быть впол-
не достаточной, даже если эту преграду для воды
сделать пустотелой. Вместо монолитной бетонной скалы
можно воздвигнуть сравнительно легкую конструкцию
со стенками толщиною только в 2—3 метра. Образо-
вавшиеся «пазухи» засыпаются каким-нибудь грунтом,
служащим только балластом. Если передней стенки
не делать, вода сама явится таким балластом. В пусто-
тах могут разместиться и гидроэлектростанции. Для
того чтобы пустотелые плотины не сдвигались, они
снабжаются глубоким «зубом», погружающимся в грунт.
Когда вода пропускается посредством донных
отверстий, не нужен прочный водослив сложного про-
филя. Для придания же плотине необходимого веса
между ее бычками размещаются большие железобе-
тонные камеры, наполненные землей. Сама фундамент-
ная плита служит водобоем, над которым возвышают-
ся гасители энергии воды, вырывающейся на волю
через донные отверстия. Первой плотиной такого типа
была Щербаковская плотина на Волге.
О роли пустотелых железобетонных сооружений
можно судить по тому, что для гидроузлов на Волге,
Дону и Днепре требовалось 17 миллионов кубометров
бетона. Пустотелые же бетонные сооружения сбере-
гают до 30 процентов бетона.
170
Член-корреспондент АН СССР доктор технических
наук профессор Василий Захарович Власов в Цент-
ральном научно-исследовательском институте про-
мышленных сооружений провел интереснейшие иссле-
дования, доказавшие возможность применения плотин,
сделанных с очень тонкими стенками. Но это не зна-
чит, что плотины из тонких оболочек менее прочны.
Наоборот! Они прочнее обыкновенных, потому чтЬ, во-
первых, в них все поддается точному расчету, а во-
вторых, такие плотины из оболочек легко изготовлять
на заводах, а на строительной площадке только соби-
рать из отдельных частей все тело плотины. Оболочки
могут подвергаться перед отправлением на стройку
таким испытаниям, какие немыслимы при других спо-
собах создания плотин.
Сборные плотины — сегодняшний и завтрашний
день нашей гидротехники. В Средне-Азиатском научно-
исследовательском институте ирригации полным ходом
идет моделирование гидротехнических сооружений из
сборных пустотелых блоков и блоков с грунтовым
балластом.
Сборные плотины, водохранилища, шлюзы и водо-
спуски позволят сберечь огромные суммы денег и
строить со сказочной быстротой. Очень ценно и то, что
сборные сооружения дают возможность произво-
дить реконструкцию устаревших плотин и водохра-
нилищ.
Так будет в первую очередь реконструировано Кат-
та-Курганское водохранилище на реке Зеравшан. Его
объем значительно увеличится, и воды хватит для
орошения дополнительно 20—25 тысяч гектаров но-
вых земель.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОМ
Обыкновенная модель гидротехнического сооруже-
ния оживает только тогда, когда в ее «жилах» за-
струится вода — самая необходимая и в то же время
самая громоздкая «деталь» всех подобных моделей.
«Русло реки», «плотина», «канал», «гидроэлектростан-
ция» даже при совсем игрушечных размерах тре-
буют непрерывной подачи довольно больших количеств
171
воды. Много хлопот причиняет и удаление отработав-
шей воды.
Физические свойства воды, в свою очередь, предъ-
являют к экспериментаторам при постройках моделей
особые требования. Если их не соблюсти, условия по-
добия между натурой и ее лабораторными имитациями
будут грубо нарушены. Например, добиваясь соответ-
ствия скоростей течения воды в настоящей и искус-
ственной реках, нельзя модель делать слишком ма-
ленькой. На очень коротких расстояниях вода не
может развить необходимую скорость.
Чем больше исследуемый участок реки, настоящий
гидроузел, тем больше становятся и их модели. Чтобы
в лаборатории создать подобие Куйбышевского или
Сталинградского гидроузлов, надо было располагать
площадками не меньше 20—30 метров шириною и
50—100 метров длиною.
В этих больших моделях вода движется, подчи-
няясь закону, который заставляет Волгу катить свои
воды в Каспийское море. Но закон всемирного тяго-
тения можно «обойти», воспользовавшись напорной
моделью, в которую вода подается насосами. Это поз-
воляет уменьшать размеры моделей, но вносит неко-
торые добавочные осложнения.
Естественно, что в моделях гидротехнических соо-
ружений изучается поведение той самой воды, кото-
рая будет давить на настоящую плотину, вращать
колесо турбины, струиться по оросительным и судо-
ходным каналам. Но можно было бы воспользоваться
и другой жидкостью, учтя ее свойства. Можно даже
заменить воду воздухом, так как в напорных моделях
и жидкости и газы одинаково обтекают препятствия,
одинаково вырываются из различных отверстий в пре-
градах на их пути.
Во Всесоюзном научно-исследовательском институ-
те гидротехники имени Б. Е. Веденеева кандидат тех-
нических наук А. Г. Аверкиев разработал новый метод
моделирования при помощи маленьких подобий соору-
жений, наполняемых воздухом под напором.
«Воздушное моделирование» плотин и других гид-
ротехнических сооружений может производиться пря-
172
мо на рабочем столе. Размеры стенда, необходимого
исследователю, совсем невелики — достаточно, напри-
мер, одного метра в ширину и двух с половиной мет-
ров в длину. Правда, модель Сталинградского гидро-
узла потребовала больше места. Ее длина была около
10 метров. Это объясняется тем, что в Институте гид-
ротехники изучался очень большой участок Волги —
20 километров.
Воздушная модель делается из лучшего сорта де-
рева, заключенного для жесткости в прочную метал-
лическую раму. Для большей точности размеров
дерево покрывается плексигласом или текстолитом, на
которых инженеры лепят русло реки из пластилина —
красного или черного, чтобы на таком фоне резче вы-
делялись струи воздуха, подкрашенного дымом.
Искусственные сооружения — плотины и гидро-
станции — изготовляются из деревянных брусков
с отверстиями одинакового размера. Чтобы сохранить
пропорциональность в количестве воды, пропускаемой
через плотину и через гидроэлектростанцию, в брусках-
моделях плотины и ГЭС делается соответствующее
число отверстий.
Тщательно отформовав русло реки, установив все
полагающиеся сооружения, исследователи прикрывают
модель листом стекла и заделывают щели замазкой
или заклеивают бархатом. Затем в модель пускают
воздух, подкрашенный дымом дымовых шашек, и сквозь
стекло следят за движением воздушных струй. Эти
наблюдения требуют очень высокой квалификации,
потому что протекают они весьма быстро, и надо сра-
зу не только обнаружить то или другое явление, но и
понять все его значение.
Наблюдатель при этом не только смотрит на то,
что происходит у плотины, у гидростанции, обтекае-
мых воздушными потоками. Он должен зарисовать на
стекле направление струй, формы водоворотов. Ему
в этом нелегком деле помогают маленькие подвижные
указатели, установленные в разных частях модели, —
флажки из алюминиевой фольги, поворачивающиеся
по направлению течения воздушных струй.
Флажки-указатели часто бывает нужно передви-
173
яуть в новое место модели, чтобы в нем определить
направление воздушных струй.
Как сделать это, не открывая стекла, без отверстий,
которые нарушат целость герметического ящика, слу-
жащего оболочкой миниатюрного сооружения?
А. Г. Аверкиев воспользовался для этого магнитной
тягой. Алюминиевые флажки укреплены на малень-
ких тележках из мягкого железа, и когда снаружи
двигается сильный магнит, он тянет за собою тележ-
ку, словно привязанную к нему невидимою нитью.
Цель всех исследований на воздушных моделях —
получить полную картину движения водяных струй,
наблюдая за струями воздуха, подкрашенного дымом.
Картина должна быть динамичной — на ней должны
иметься данные о скоростях в отдельных местах русла
реки, у плотины, у гидростанции, у пропускных отвер-
стий.
Скорость течения воздуха в модели измеряется ма-
ленькими воздушными колесами — микровертушками.
Эти приборы так легки и малы, что скорость враще-
ния их осей может измеряться только оптическим спо-
собом, посредством специального прибора — стробо-
скопа.
Построив воздушную модель, маленькую, удобную,
не требующую больших затрат, можно быстро провес-
ти множество опытов. Зная, как проектировщики пред-
полагают построить плотину, исследователь создает
на воздушной модели ее подобие и тотчас видит, как
вода встретит препятствие, появившееся на пути. Это
укажут завихрения в струях дыма, скорость его рас-
пространения.
Если проектировщики не учли каких-либо местных
особенностей русла, где будет воздвигнута плоти-
на, воздух, подкрашенный дымом, флажки, микро-
вертушки немедленно сделают ошибку зримой,
раскроют все ее значение.
Предварительная оценка работы проектировщиков
плотин, гидроэлектростанций, шлюзов — вот одна из
главных задач, выполняемых моделью гидротехниче-
ского сооружения, в которой вместо воды струится
воздух.
174
На стекле зарисованы направ-
ления струй. Видно устройство
флажков с магнитной тягой.
Опыты с настольной
моделью указывают, на
что следует обратить осо-
бое внимание во время
дальнейших исследова-
ний. Получив такие пред-
варительные результаты,
с большей уверенностью
можно строить любые мо-
дели — и очень крупные,
на открытом воздухе, и
различные типы тех же
самых воздушных.
О д н а ко и се л е дов а н и я,
проведенные на моделях,
разработанных А. Г. Авер-
киевым, нередко могут
дать ответ, вполне доста-
точный для оценки про-
екта сооружения и исклю-
чающий необходимость
дальнейших опытов на
модели гидротехнического
сооружения.
В первую очередь это
относится к верхним
бьефам гидроузлов, к отстойникам — вообще ко всем
участкам, где вода течет спокойно, где ее свободная
поверхность бывает практически плоской. Плоская по-
верхность воды в натуре является важным условием
подобия при «воздушном моделировании», потому что
у моделей с прикрывающим их стеклом воздух обте-
кает совершенно плоское тело.
Воздушные модели А. Г. Аверкиева оказали значи-
тельную помощь проектировщикам Каховской гидро-
электростанции. Уменьшенная по сравнению с натурой
в 4 тысячи раз, модель была помещена на большом сто-
ле. Дерево и пластмасса изображали двенадцатикило-
метровый участок Днепра. Сквозь прозрачное стекло,
прикрывающее «Днепр», видно было, как быстро расте-
каются чуть голубоватые струи дыма, обтекая «зем-
175
ляные» и «шпунтовые» перемычки, ограждающие тер-
риторию, где будет воздвигнута бетонная плотина,
гидроэлектростанция и шлюз. Глядя на них, можно
было с уверенностью сказать, как действительно будут
вести себя воды Днепра, стиснутые перемычками.
Когда впуск дыма в модель прекратился, снова
стало видно сухое дно «Днепра». Но все пути струй
уже зарисованы на стекле, и сотрудники лаборатории
могли расшифровать затейливые знаки, которые быст-
ро «чертили» струи газа, скользившие по пластилино-
вому руслу Днепра. Эти струи прорвались в отверстия
в куске дерева, служившего плотиной. Такие расшиф-
ровки немедленно посылались проектировщикам, ко-
торые проверяли результаты своих вычислений опыт-
ными данными.
Так несколько больших комков цветного пластили-
на и дымовая шашка позволяют исследователям
заглядывать в будущее.
Воздушные модели легко переносятся в любое
место. Их можно располагать и горизонтально и вер-
тикально, а это весьма облегчает фотографирование
моделируемых процессов. Это «чемоданные модели»,
как их шутя называют проектировщики.
Удивительная воздушная модель огромного гидро-
узла основана на глубоком и точном знании сложных
физических законов, которым в особых условиях оди-
наково подчиняются и жидкости и газы. Она — один
из примеров высокого мастерства научного экспери-
ментирования в Советском Союзе.
ПОБЕДА НАД ПУСТЫНЕЙ
Многим научно-исследовательским лабораториям
свойственны особые, специфические запахи. В химиче-
ской — резко пахнет различными химикалиями. Дышит
нагретым маслом и газами лаборатория двигателей
внутреннего сгорания.
Там, где исследования ведутся при очень высоких
электрических напряжениях, в воздухе чувствуется
присутствие озона, всегда сопровождающего мощные
электрические разряды.
176
В этой лаборатории царит запах земли, пропитан-
ной водой, запах, обещающий щедрый урожай. Ка-
жется, будто после дождя идешь сырым речным бере-
гом по густой траве. Но здешние «реки» — скорее
затоны — тихие, без течения. Вода в одних прозрачна,
в других мутна. И легко заметить, как прозрачная во-
да уходит куда-то в глубину, словно убегает из горстей
с плохо сжатыми пальцами. А в мутном «затоне» уро-
вень почти не изменяется. Здесь на маленькой модели
испытываются стенки канала.
Качество ложа больших и маленьких каналов —
вот что решает судьбу воды. Если грунт надежный,
вода течет все вперед и вперед. Но она быстро уйдет
вниз, в глубины земли, если дно канала позволяет это.
Кусочек земли, кажущийся серым «обыкновенным»
комочком, в действительности представляет собою
сложное сочетание отдельных мелких частиц — грун-
товых зерен. Между грунтовыми зернами всегда есть
поры, заполненные воздухом. В одних грунтах зерна
крупные, и поры поэтому тоже велики. А пористость
грунта — это бесчисленные дороги для воды, пропиты-
вающей его.
Особенной «продырявленностью», конечно, отли-
чается песок. В нем скорость воды, проходящей .через
грунт, колеблется от 1 сантиметра в секунду до 0,01
сантиметра в секунду. Это зависит от величины отдель-
ных песчинок.
В грунтах, состоящих из песка и глины, скорость
фильтрации воды замедляется более чем в тысячу раз.
Плотные глины представляют собою почти непрони-
цаемую преграду для воды — поры между отдельными
грунтовыми зернами в таких глинах ничтожно малы.
Можно ли канал проложить просто по пескам
с большой проницаемостью? Нет, пески высосут воду
раньше, чем бесценная влага дойдет до назначения.
Только такая могучая водная артерия, как, например,
Аму-Дарья, в состоянии бороться с ненасытностью пес-
ков и оживлять землю на громадном пространстве. Пе-
сок даже оказывает реке большую услугу. В жарком
сухом климате испарение воды идет с огромной ско-
ростью и силой. В среднем в пустынях Туркмении в год
12 Тайны моделей
177
выпадает всего 100 миллиметров осадков, а могло бы
там испариться 2 тысячи миллиметров! Величественная
Аму-Дарья, самая крупная и многоводная река Сред-
ней Азии, быстро бы исчезла в песках, если бы они не
обладали замечательным свойством беречь воду, вса-
сывая в более глубокие слои и потом испаряя ее. Гли-
нистые и каменистые пустыни бесплодны, потому что
они очень быстро отдают атмосфере воду, выпавшую
в виде дождя, и не пропускают ее в глубину.
Оросительные каналы должны обладать такой
«одеждой», которая не пропускала бы воды в глубину
и не разрушалась течениями и волнами. Для выбора
«одежды», наиболее соответствующей разным клима-
там, разным скоростям воды в каналах, во многих лабо-
раториях Союза производятся длительные испытания
на моделях. Дно и борта каналов покрывают бетоном,
глиной, накачивают в песок жидкое стекло.
Наиболее дешевым и надежным способом является
добавление в канал глины на тех участках, где вода
усиленно просачивается в песок. Частицы глины, осе-
дая на дне и на стенках канала, закупоривают поры
и прекращают доступ воды в нижние слои грунта.
Метод облицовки глиной ложа канала называется
кольматацией. Он подсказан самою природой, потому
что воды всех рек содержат частицы глины, постепенно
оседающие на дно и делающие его водонепроницае-
мым. Но процесс кольматации в естественных усло-
виях идет очень медленно, а искусственные реки —
каналы — надо «одеть» как можно быстрее. Поэтому
в каналах кольматация ведется под наблюдением гид-
ротехников усиленными темпами. С первой же водой,
впускаемой в каналы, в них вливается и глинистый
раствор.
Кольматационный водонепроницаемый «плащ»
испытан уже и в лабораториях и на действующих ка-
налах. Ученые не ограничиваются кольматажем при
помощи только глины — исследуются на моделях би-
тумные эмульсии, представляющие мельчайшие ча-
стички битума, взвешенные в воде.
У каналов очень уязвимым местом является грани-
ца, вдоль которой струится вода. Здесь на грунт одновре-
178
менно действуют и течение и волны. Модели каналов,
в которых тщательно соблюдаются все условия работы
настоящего гидротехнического сооружения, позволяют
устанавливать, достаточно ли прочна будет одежда из
естественного грунта, или в наиболее опасных местах
борт канала надо защитить камнем, бетонными пли-
тами.
Множество опытов ведется в разных лабораториях
Союза и для создания лучшего типа водозаборов,
искусственных рек.
Народная мудрость еще в глубокой древности по-
могла жителям Средней Азии прийти к весьма целесо-
образному типу оросительных каналов. Эти каналы
делаются с тремя-четырьмя отдельными входами, так
называемыми головами. Входы соединяются в русле
канала. Таким образом, создаются обходные пути для
воды. Когда засорится один головной вход, откры-
вается другой, третий и т. д. А засоренные тем вре-
менем очищаются. Но сколько головных входов
должно быть в зависимости от мощности канала, его
протяженности?
В Московском институте инженеров водного хозяй-
ства имени В. Р. Вильямса были построены две модели
для научного исследования этого важнейшего вопроса.
Институтом создана так называемая русловая площад-
ка, по которой течет «река». Эта модель реки, растя-
нувшаяся примерно на трех гектарах, — самая боль-
шая в стране. Вода из озера подается мощными
насосами в «реку», из которой попадает сначала
в шесть головных входов, а потом в русло канала.
Вода, войдя в канал, в его разветвления, в малень-
кие артерии, питающие почву, будет загрязняться раз-
ными примесями. Для сельского хозяйства самыми
опасными из них являются соли, содержащиеся на не-
которых участках.
В лабораториях изыскиваются наилучшие способы
борьбы с засолением орошаемых почв. На моделях
исследуется, как действует глубокий дренаж, посред-
ством которого отводится излишек воды, как успешно
промывка удаляет вредные соли, как побеждает их
добавление удобрений.
12*
179
Оросительные каналы — одно из самых древних
гидротехнических сооружений. Но прогресс в этой
области шел поистине черепашьими шагами. Ороси-
тельные системы нередко губились, запускались до та-
кого состояния, что приходили в полную негодность.
Цветущая земля, отвоеванная у пустыни, вновь обра-
щалась в бесплодную высохшую почву.
«В английских владениях Индии многие древние
прекрасные пруды погибли из-за того, что их не под-
держивали и не исправляли. Например, в Понэри был
пруд в сорок восемь километров длины и поверхностью
в двести квадратных километров. Он погиб.
В Индии признано, что одного квадратного кило-
метра пруда достаточно, чтобы полить десять квадрат-
ных километров земли. Понэрийский пруд орошал две
тысячи квадратных километров полей...»
Эти слова принадлежат французскому писателю
Луи Жаколио, человеку, которого трудно заподозрить
в намерении опорочить колониальную систему: он сам
был проповедником колонизации.
«Было бы слишком дорого поддерживать обширную
древнюю систему орошения. Ведь погибают лишь инду-
сы...» — иронически объясняет Л. Жаколио причину,
мешавшую англичанам сохранить созданное до их втор-
жения водное хозяйство Индии, когда в «каждой про-
винции имелось столько искусственных бассейнов,
сколько воды ей требовалось. В период засухи вода
бежит по каналам и распределяется так, что каждый
клочок поля имеет ежедневно свою порцию воды...»
Так писал Л. Жаколио много десятков лет назад
в своих «Очерках Индии». Но когда читаешь эти места
«Очерков», кажется, что они написаны путешественни-
ком, лишь недавно познакомившимся с водяным голо-
дом в Индии, где «девять месяцев в году страна не
видит ни капли дождя со своего вечно голубого неба».
Площадь обрабатываемых земель в середине три-
дцатых годов сократилась там на 2,5 миллиона гекта-
ров. К 1940 году продовольственные культуры занима-
ли территорию на 600 тысяч гектаров меньше, чем
15—20 лет назад. Главной причиной этого было страш-
ное наследство, оставленное колонизаторами: погибшие
180
каналы, высохшие водоемы и системы орошения, со-
всем не соответствующие потребностям хозяйства ог-
ромной страны.
В настоящее время в Индии ведутся большие ра-
боты по восстановлению старых оросительных систем
и созданию новых. Но еще много лет понадобится, что-
бы залечить раны, нанесенные этой прекрасной стране
колонизаторами.
«Голодная», «Черная» — каких только названий
нет у пустынь, которые теперь советскими людьми пре-
вращаются в обильные, плодородные земли, покрытые
изумрудной зеленью богатейших урожаев. В этих
пустынях вода значила все. В песках Закаспия в цар-
ской России воду для орошения получали только до-
стигшие совершеннолетия. В приданое девушкам дава-
лась вода. «Семнадцать минут воды» — вот что было
главным богатством главы семьи: раз в шестнадцать
дней он получал эту драгоценную воду, отводящуюся
на его поле из общественного канала.
Но и эти короткие семнадцать минут использова-
лись неправильно. Стремительные струи воды разру-
шали и уносили наиболее плодородные верхние слои
почвы. А ведь каждый кубометр воды при правильном
использовании его может обеспечить выращивание
2 гектаров пшеницы, или 1,5 килограмма сахарной
свеклы, или 100 граммов хлопка. Израсходованный на
водопой кубический метр воды способствует получе-
нию 3 килограммов овечьей шерсти, 10 литров молока
и 10 килограммов мяса и жира.
Советские ученые после многолетних опытов на мо-
делях и исследований разработали наиболее совершен-
ный и экономичный способ использования воды, пода-
ваемой каналами к полям, огородам, садам. Система
в основном состоит из магистрального и распредели-
тельных каналов. Весной перед посевом поле проре-
зается временными каналами и поливными бороздами,
питающими водою землю, как мелкие кровеносные со-
суды питают кровью отдельные органы тела. Перед
уборкой урожая временные каналы закапываются и
выравниваются, и на поле могут свободно выходить
любые уборочные машины. Новая система орошения
181
позволяет выигрывать от 4 до 12 процентов земли, пло-
щадь, раньше занятую постоянными оросительными
каналами. Эта система является новой победой в
борьбе за широчайшее преобразование природы нашей
страны.
Чтобы орошение поистине превратилось в про-
цесс, соответствующий требованиям науки, его нельзя
производить на глаз, даже на самый опытный глаз.
Здесь должны прийти на помощь установки, действую-
щие так же точно и бесперебойно, как приборы,.маши-
ны и аппараты на электростанции, на автоматическом
заводе. В сельском хозяйстве автоматическое управле-
ние еще кажется мечтой, но эта мечта уже начинает
осуществляться.
Уже существуют модели приборов и установок, ко-
торые могут сделаться органами автоматического
наблюдения за состоянием почвы и автоматического
управления поливом.
Здесь электрифицированная карта района показы-
вает расположение каналов и вододелительных пунк-
тов, через которые вода направляется на различные
поля. Закрыты щиты каналов, подающих воду, — карта
красноречиво говорит об этом: не горят на ней зеленые
сигналы. Но нужна ли влага земле? Кто сообщит об
этом диспетчеру, сидящему за пультом у электрифици-
рованной карты?
Созданы «разведчики», посылающие сигналы
о влажности почвы. Одним из них является проволока,
зарытая в землю. В зависимости от влажности грунта
проволока проводит электрический ток большей или
меньшей силы. Эти колебания тока попадают в ма-
ленький радиопередатчик, установленный по сосед-
ству, и радиосигнал летит в диспетчерскую. Он дает
сведения о влажности земли уже в процентах, и дис-
петчеру остается только нажать на кнопку управления
щитом канала и пустить воду на соответствующий
участок.
Но не только влажность интересует диспетчера.
Температура почвы говорит о том, можно или нельзя
производить посев. Низкая температура, при которой
ослабевают молодые растения, требует немедленной и
182
усиленной борьбы со всеми сорняками, даже не пред-
ставляющими особой угрозы в нормальных условиях.
Температура земли подобно влажности измеряется
электричеством. Пластинка из двух разных металлов
при колебаниях температуры выгибается в ту или дру-
гую сторону вследствие укорачивания при охлаждении
или удлинения при нагревании и замыкает контакты
электрической цепи. Радиопередатчик немедленно пре-
вращает этот сигнал в тревожные или успокаивающие
сообщения, летящие по эфиру в диспетчерскую.
Производя полив, очень важно знать, что делается
с источниками, откуда черпается вода. Каков там уро-
вень? Какой уровень в магистральных каналах?
Для этого построены интересные приборы, не толь-
ко постоянно наблюдающие за уровнем воды, но и тот-
час превращающие колебания уровня воды в электро-
и радиосигналы.
Комплект приборов, испытанных уже на практике,
электрифицированная карта и пульт диспетчера, со-
зданные в научно-исследовательском бюро, служат мо-
делью будущей замечательной установки, с помощью
которой можно будет постоянно наблюдать за почвой
и в любую минуту улучшать ее состояние, чтобы полу-
чать огромные урожаи сельскохозяйственных культур.
Сотрудники Средне-Азиатского научно-исследова-
тельского института ирригации разработали новый тип
водомерного сооружения, с автоматическим учетом
всего, что происходит в оросительных каналах. На мо-
дели, испытываемой в институте, издали бросаются
в глаза большие белые, шкалы приборов со стрелка-
ми, указывающими расход -воды в том или другом оро-
сительном канале. Эти автоматически действующие
счетчики распределения воды — важный шаг ко все
более и более полной автоматизации управления оро-
шением.
МАШИНЫ ПОЛЕЙ
Странная машина медленно движется по опытному
участку, покрытому огородными растениями и сорняка-
ми. У этой машины-модели лапы обыкновенного куль-
тиватора, грозы сорняков, беспощадно срезающие рас-
183
тения, попадающиеся на пути. Но какой смысл в этом
движении лап-ножей по земле, над которой уже под-
нимаются и стебли овощей и сорняков? Сейчас два из
них, сверкающие, как полированные, врежутся в све-
жую нежнозеленую ботву картофеля.
Однако тут происходит нечто совсем неожидан-
ное. Лапы культиватора, словно живые, вдруг отодви-
гаются в сторону. Через несколько минут они, вновь
вернувшись в прежнее положение, подрезают кустики
сорняка, усеянные мелкими голубыми цветами, и опять
вежливо расступаются, «увидев» картофель.
Начинаешь думать, что у лап этого культиватора
должны быть глаза, различающие культурные растения
и сорняки. Секрет помогают открыть собственные гла-
за, замечающие, что впереди лап-ножей на культива-
торе расположен особый «усик», который осторожно,
как «рожки» улитки, прикасается к растению. Этот
своеобразный щуп культиватора укреплен подвиж-
но, и сам он так легок,Ччто скользит по растению, не по-
вреждая его, а отгибаясь в сторону.
Но за те мгновения, пока щуп прикасается к листь-
ям или стеблям, встреченным им на своем пути, он
успевает сделать очень многое. Прежде всего рас-
познает, какое перед ним растение — культурное или
сорняк. Такую фантастическую на первый взгляд зада-
чу щуп выполняет благодаря различию в размерах сор-
няков и культурных растений: нигде, конечно, сорнякам
не дают развиваться так же, как законным обитателям
огорода.
Наткнувшись на культурное растение, достигшее
уже определенного развития, щуп отгибается и замы-
кает контакты электрической цепи, в которую включен
механизм, управляющий поворотом лап-ножей. Испы-
тания модели, собранной из главных частей, требую-
щихся для создания «видящего» культиватора, помога-
ют конструкторам улучшать схемы новой машины,
которая, надо надеяться, из модели превратится в на-
стоящую грозу сорняков.
Такие машины для сельского хозяйства, в которых
используются одновременно и достижения современной
техники и отличные знания всех особенностей работы
184
именно в данных природных условиях, стали появлять-
ся у нас благодаря все более широкому и плодотвор-
ному содружеству людей двух специальностей — фи-
зиков и агрономов.
Агрофизический институт Всесоюзной академии
сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина и дру-
гие научно-исследовательские институты, занимающие-
ся внедрением достижений физики в сельское хозяйство
страны, сделали уже немало для того, чтобы доказать,
как важно поскорее решить некоторые первоочередные
задачи агрофизики.
Борьба с развеиванием поверхностных слоев поч-
вы, лучшее использование света и тепла в сельском
хозяйстве, новые методы обработки почвы — все эти
вопросы решаются с помощью физики и притом с уча-
стием моделей.
Где и как, например, искать способы облегчения
обработки почвы на полях, огородах, в садах?
Можно исследовать работу машин, вносить улучше-
ния в их конструкцию. Но, идя только таким путем,
вряд ли исследователь быстро додумается подать
электрическое напряжение на лемех плуга — и опасно
и дорого подобные опыты вести с машиной обычного
размера и назначения. Модель же, маленькая модель
в лаборатории, дает возможность судить о том, как по-
влияет этот удивительный прием на расход энергии
при пахоте.
В ло!ке с землей движется модель плуга. От нее
тянутся провода к измерительным приборам, к источ-
нику электрического тока. Динамометр, показывающий,
какое усилие нужно для передвижения этой «земле-
дельческой игрушки», соединен с «плугом» и с лебед-
кой, тянущей «плуг».
Даже без приборов видно, как облегчается работа
лемеха, когда на него подается электрическое напря-
жение. Здесь усилие маленькое, с ним без труда
справится и детская рука: 20—15 процентов снижения
усилия на модель. Но, значит, на такое же число про-
центов уменьшится и усилие трактора, передвигающе-
го плуг! И если представить себе бесчисленное множе-
ство тракторов, обрабатывающих почву на наших по-
185
лях, одна шестая их усилий, слитых вместе, — это уже
колоссальная величина. Это сбережение целой реки
горючего!
Модель отвечает не только на вопрос, как добиться
того или другого эффекта. Она позволяет быстро по-
нять, почему возникает то или другое явление. В лабо-
ратории на модельном лемехе видно, что при подаче
на него отрицательного электрического напряжения
между почвой и ножом плуга образуется тонкая водя-
ная пленка. Она в данном случае играет ту же роль,
что и смазка при работе машин: снижает усилие, не-
обходимое для передвижения деталей.
Соединить источник электрического напряжения
с лемехом просто. Расход энергии при этом ничтожен.
Труднее осуществить другое мероприятие, на которое
тоже натолкнули опыты с моделями. Если модельный
лемех будет дрожать, вибрировать, двигать его в почве
становится в два раза легче. Вибрирующее движение
крошечной детали модели создается маленьким элек-
тромагнитом, питаемым переменным током. У «взрос-
лой» машины вибрация лемеха — это уже техническая
проблема.
Но мы знаем, как успешно внедрена вибрация
в строительную технику. Специальные вибраторы с не-
вероятной скоростью уплотняют бетон на любых строй-
ках. Бабу и копр для забивки свай сменил мотор, вы-
зывающий вибрацию: свая «сама» уходит в грунт, как
нагретый металлический прут в кусок парафина.
Очень долгое время непреодолимой преградой на
пути овладения огромными пространствами земли, при-
годной для самых разнообразных культур, было раз-
веивание почвы. Мысль, идущая трафаретной дорогой,
толкаемая только инерцией установившегося движе-
ния, не могла оторваться от всякого рода заграждений
вокруг территорий, подвергающихся развеиванию.
Еще хуже было лихое «новаторство», не основан-
ное ни на чем, кроме безответственного отношения
к делу. Порою совершенно всерьез предлагаются фан-
тастические решения. Так, одна из республиканских
проектных организаций для прокладки оросительных
каналов в песках рекомендовала прибегнуть к устрой-
186
ству сводов под землей. Для этого пески должны были
на значительную глубину пропитываться дорогостоя-
щей эмульсией.
Уже самый факт — работа над идеей, непримени-
мость которой очевидна, — свидетельствует, что полу-
чается, когда эксперимент делается ради экспери-
мента.
Зато целеустремленные опыты с моделями привели
к очень интересному и принципиально новому решению
задачи: надо склеить песчинки на поверхности почвы.
Ученые брали песок, насыпали его в специальные ящи-
ки и, получив такую модель пустыни, направляли на
нее «модель ветра» — струи воздуха, с разной силой
обдувавшие поверхность песка.
На модели легко было проверить, как действуют ве-
щества, связывающие вместе- отдельные песчинки и об-
разующие сплошные корки. Какой толщины должна
быть корка, чтобы выдержать не только действие вет-
ра, но и дождя, резкие изменения температуры?
Модели развеиваемых почв смачивались битумной
эмульсией, дешевыми клеящими составами. Измерив
толщину корки, ее подвергали действию моделирован-
ных «ветра» и «дождя». Так удалось установить, сколь-
ко битумной эмульсии нужно на квадратный метр пес-
чаной пустыни или развеиваемых земель, чтобы кор-
ка выдержала все испытания и уцелела, пока ее не
пробьет растительность. А тогда почве уже не страшны
ни ветер, ни дождь: растения лучше всего задер-
живают передвижение песков.
Физика помогла найти средство для борьбы с пере-
движением твердых частиц на поверхности почвы. Эта
же наука дает возможность глубже познать тайны дви-
жения воды, «крови земли», без которой нет жизни ни
растений, ни животных.
Важно задержать воду там, где ее мало, и удалить
оттуда, где ее чересчур много. Физика диктует одно
из решений для засушливых районов — уплотнение
почвы до глубины заделки семян. Модель быстро пока-
зывает, что при послепосевном прикатывании почвы
скорость движения воды, стремящейся бесполезно убе-
жать в глубину, резко уменьшается. А примененное на
187
практике послепосевное прикатывание почвы повыша-
ет урожайность на 2—3 центнера зерновых с гектара.
У моделирования есть одно особое достоинство. Оно
позволяет «препарировать» изучаемые явления, подоб-
но тому как биолог препарирует живой организм, что-
бы открыть его секреты. Это достоинство ярко сказы-
вается при исследованиях действия света на растения.
Не надо быть агрономом, чтобы знать, насколько
световые лучи нужны растению. Но не так легко ис-
пользовать по-новому этот всем известный факт.
Теплицы появились очень давно. И давно их главной
частью служит стекло. Маленькая модель очень убеди-
тельно показывает, как часть солнечных лучей попа-
дает в тепличный плен.
Хорошо выполняя свою роль для поимки солнеч-
ного тепла, стекло хуже справляется с удержанием его
цадолго в плену теплицы. Оно не обладает достаточ-
но высокими теплоизолирующими свойствами. Чтобы
повысить эти свойства, стекла складывают в несколь-
ко слоев. Это дорого и не вполне достигает цели.
На моделях парника и теплицы начинается испыта-
ние других материалов. В этих моделях нет пока рас-
тений, их заменяют ртутные столбики термометров.
Сейчас мы пробуем удивительнейшее вещество —
пленку из ацетилцеллюлозы. Она получена благодаря
растворению хлопковой целлюлозы (клетчатки) в ук-
сусной кислоте и уксусном ангидриде. Пленка отлично
пропускает не только видимые солнечные лучи, но и
невидимые, ультрафиолетовые, имеющие огромное зна-
чение для живых организмов. Обыкновенное стекло
почти полностью задерживает ультрафиолетовые лучи.
Ацетилцеллюлоза — отличный тепловой изолятор.
Тепло из моделей парников и теплиц уже не проры-
вается наружу. Серебристые тоненькие «стебельки»
термометров быстро «пускают ростки», поднимаясь все
выше. Это первый «урожай», собираемый эксперимен-
татором. Но сулит он многое, очень многое.
Проверка доказывает это. В некоторых колхозах и
совхозах Севера Агрофизический институт заменил
в парниках стекло ацетилцеллюлозой. Огурцов в таких
парниках собрано на 66 процентов больше, урожай то-
158
матов вырос на 30 процентов, Растения созревали на
10—12 дней раньше, а на Севере это очень важно.
Сравнительно недавно парники и теплицы стали
предметом научных исследований. Изучаются и доба-
вочное облучение растений искусственным светом и
обогрев почвы и воздуха. Опыты с обогревом на мо-
делях в нашей стране начались давно. Так, например,
в лабораториях на моделях теплиц был проверен спо-
соб нагревания почвы особым кабелем, у которого элек-
тромагнитные колебания разогревали металлическую
оболочку. Стадию моделирования прошел и электриче-
ский обогрев почвы по принципу электроплитки — ток
нагревал проволоки, проложенные в земле.
Опыты на моделях доказали дороговизну, опас-
ность, сложность некоторых способов электрообогрева
почвы. Модель помогла инженеру X. А. Есиеву найти
особую систему обогрева почвы электричеством.
Зарыв в землю два листа кровельного железа
и соединив их с источником электрического тока, Есиев
добился равномерного хорошего прогрева почвы. Про-
ведя много экспериментов на подобных моделях, изо-
бретатель в колхозе имени Сталина Кемеровской об-
ласти установил электродную систему обогрева почвы
уже в большом масштабе. Удобство, простота и деше-
визна этого способа теперь признаны многими. Широ-
ко применяется и обогрев почвы и воздуха электриче-
скими спиралями, заключенными в особые трубки.
Комплексное применение электроэнергии в сель-
ском хозяйстве требует, чтобы была использована не
только возможность преобразования электричества
в механическую и тепловую энергию, но и другие его
особенности.
Интересные перспективы открывает применение
электричества для борьбы с сельскохозяйственными
вредителями. Самолет может разбрасывать над полем
ядовитые вещества, заряженные положительно спе-
циальной электрической установкой. Частицы яда бу-
дут притягиваться отрицательно заряженными расте-
ниями и оседать на листьях, стволах, ветвях.
Заряд и растения и самой земли — отрицательный,
но так как растение возвышается над поверхностью
189

Опыление растений ядовитыми частицами, заряженными
электрически.
земли, главная часть заряженных отрицательно хими-
калий будет всегда собираться на растениях, первыми
встречающих ядовитую пыль, и лишь сравнительно
ничтожная доля ядов осядет на самой почве. Такое
избирательное опыливание не представляет собою
ничего фантастического и на модели мбжет быть
выполнено без особого труда. Но от модели до
большой рентабельной установки значительное рас-
стояние.
Весьма своеобразную модель для сельского хозяй-
ства представляют особые камеры, где климат на
очень ограниченной площади создается учеными по
заказу. Такие модели нужны потому, что важно знать,
как те или другие полезные, а иногда и вредные рас-
тения зависят от температуры воздуха, ветра, влаж-
ности.
В нашей стране созданы лаборатории, в которых
погода меняется по заказу. Лаборатория обычно со-
стоит из трех камер: в одной холодно, в другой уме-
ренная температура, а в третьей очень жарко — на-
стоящие тропики.
Погода меняется автоматически приборами, уста-
новленными на особых щитах. «Заказав» определен-
ную погоду, ученый может быть спокоен: она будет
оставаться одной и той же на весь период наблюдения.
Растения в этой необыкновенной лаборатории си-
190
дят не в сплошной почве, как в обычных теплицах,
а в отдельных сосудах.
«Погода по заказу» позволяет быстро установить,
как рост тех или других растений зависит от окружаю-
щих природных условий, от среды. Благодаря этому
можно с успехом перемещать различные растения в те
районы — очень холодные или очень жаркие, — где эти
растения раньше не культивировались.
Приведенные многочисленные примеры, к сожале-
нию, еще не означают победного внедрения моделиро-
вания в наше сельское хозяйство.
Строителю самолетов, гидротехнику, кораблестрои-
телю трудно, а часто и совершенно невозможно обой-
тись без моделей новой машины, новой плотины, новой
гидроэлектростанции. А опытный конструктор сель-
скохозяйственной машины свой чертеж смело несет
на экспериментальный завод для создания образца
уже «во весь рост», пригодного для испытаний в поле.
Ведь такой машине как будто не нужна особенная
скорость, ей не грозит немедленная авария, если ка-
кие-нибудь ее свойства не соответствуют условиям,
в которых она должна будет действовать. Поэтому,
создавая новую сельскохозяйственную машину, кон-
структор часто моделирует лишь ее самые сложные,
необычные узлы.
Однако такое отношение к моделированию нередко
вызывает излишние, ничем не оправдываемые расхо-
ды, появление машин несовершенной конструкции,
< дотягивание» которых требует больших средств и со-
провождается огромными потерями не только времени,
но и урожаев.
К нашим сельскохозяйственным машинам сейчас
предъявляются такие требования, что и люди, управ-
ляющие этими машинами, должны быть особенными.
Академик И. Ф. Василенко, обращаясь к комбайнерам
перед выходом в поле, сравнил их с летчиками-испы-
тателями, талант и опыт которых позволяют «выжи-
мать» из машины достоинства, порою скрытые от глаз
опытнейших конструкторов.
Машины для сельского хозяйства должны перехо-
дить на «скорый ход». Они требуют как можно боль-
191
щей автоматизации, электрификации. Все это очень
непросто, если принять во внимание, что сельскохозяй-
ственные машины должны не только двигаться, подоб-
но автомобилю, паровозу или даже самолету, но и вы-
полнять главнейшую работу — убирать урожай, обра-
батывать землю. Скорость движения сельскохозяй-
ственных машин теснейшим образом связывается
с особенностями убираемых растений, с особенностя-
ми обработки земли для той или другой культуры.
В настоящее время скорость движения сельскохо-
зяйственной машины в среднем не превышает 4—5 ки-
лометров в час. А ученые говорят, что надо дать ма-
невренную быстроходную машину, могущую передви-
гаться по дорогам со скоростью до 14 километров
в час. Для этого прежде всего машина должна полу-
чить пневматические шины. Но скорость по дорогам
еще не обеспечивает повышения скорости при обработ-
ке земли и уборке урожая.
Ученые, конструкторы, производственники подхо-
дят к необходимости автоматизировать работу сель-
скохозяйственной машины. Эта задача, решаемая без
моделирования, потребовала бы массы дорогостоящих
опытов с настоящими машинами, пока была бы най-
дена система автоматически^ устройств, работающих
бесперебойно, отвечающая всем требованиям. Здесь
строители сельскохозяйственных машин должны вос-
пользоваться опытом создателей машин для других
отраслей народного хозяйства. Там с помощью моде-
лирования были решены очень сложные задачи.
Людям, близко не знакомым с устройством сель-
скохозяйственной машины, может показаться стран-
ным, что ее нужно автоматизировать. Но возьмем,
к примеру, комбайн. На самоходном комбайне комбай-
нер левой рукой вертит рулевое колесо, правой — пе-
реводит скорости. Эта же рука занята и управлением
двигателя. Левая нога комбайнера управляет муфтой
включения ходовой части. У правой ноги тоже весьма
важные обязанности: она тормозит машину. Однако
это еще не все. Комбайнер должен опускать и подни-
мать режущую часть машины.
А вот как выглядит автоматическое устройство для
192
Настольный механический ток.
управления комбайном. Сердце его — гидравлический
механизм с насосом, рабочим цилиндром, распредели-
тельным механизмом, шлангом. Тут уже комбайнеру
надо только двинуть пальцем, переведя особый рыча-
жок, чтобы получить необходимый эффект.
Автоматы в сельском хозяйстве нужны и для пре-
дупреждения аварий. Разработан и исследован на
моделях замечательный автомат, выключающий зажи-
гание у двигателей самоходных машин, если машина
налетела на какое-нибудь препятствие. Увидеть такое
препятствие, скрытое в растениях, человек часто не мо-
жет.
Особых забот требует электрификация сельского
хозяйства. Она заключается не только в том, что
вместо двигателя внутреннего сгорания машина или
другая установка снабжается электродвигателем. Ком-
плексная электрификация предусматривает создание
машин и установок, специально рассчитанных и скон-
струированных для применения электромоторов.
У нас уже есть электротрактор. В создании его
наиболее удачной конструкции очень помогло модели-
рование. Взять хотя бы питание электротрактора
13 Тайны моделей	193
энергией. Это представляло очень сложную проблему.
Порою уже хотели либо отказаться от электротрактора,
либо устраивать над полем специальную сеть, чтобы
трактор мог ходить по полю с дугой подобно трамваю
или с троллеями подобно троллейбусу. Во что обхо-
дилась бы работа такого трактора!
Моделирование позволило не только создать удоб-
ную «барабанную систему» питания электротрактора,
но и сконструировать устройства, останавливающие
трактор за 5 минут до того, как питающий кабель
размотается до конца. А уже за 30 минут до этого на
машине звучит гудок, предупреждающий тракториста.
Сконструированы и специальные автоматические меха-
низмы, защищающие людей от несчастных случаев
при работе электротракторов.
Проблемами в электрификации сельскохозяйствен-
ных машин являются и высокие обороты электродви-
гателей (электродвигатели быстроходны по своей при-
роде, а сельскохозяйственные машины — тихоходны)
и отсутствие на сельскохозяйственных машинах «жи-
лой площади» для моторов.
Сельскохозяйственные машины до сих пор кон-
струируются для привода от постороннего двигателя
через шкивы. Поэтому внедрение электродвигателя
здесь подобно тому, как это было со станками, — труд-
ная задача. Для ее решения нужны и расчеты и экспе-
рименты на моделях.
Необходимость «торможения» скорости вращения
вала электромотора, установленного на уборочных
машинах, вызывается несовершенством, устарелостью
режущих механизмов!
Надо сказать, что принцип ножевого лезвия серпа,
косы, долго господствовавший в сельском хозяйстве
не только при ручной уборке урожая, но и при механи-
ческой, очень неохотно уступает место режущим ору-
диям другого типа.
Это может показаться странным, но первый раз
переворот в создании режущего органа сельскохозяй-
ственной уборочной машины был вызван ознакомле-
нием изобретателей много лет назад с устройством
простых ножниц. Конечно, режущие органы убороч-
191
ных машин с тех пор совершенствуются непрерывно
и далеко ушли от своих первых моделей. Но все же
нож остается ножом.
Например, на зернокомбайне до сих пор режущее
устройство работает по принципу ^ножей в машинке
для стрижки волос. Нож надвигается на колосья, сре-
зает их, потом идет обратно. Такое движение никогда
не сможет стать быстрым, как этого требует колос-
сальная посевная площадь нашей страны.
Но разве только так можно резать? Известно, что
неосторожное, слишком быстрое движение листа обык-
новенной бумаги причиняет порез. А диск из бумаги,
насаженный на быстро вращающуюся ось, разрезает
карандаш в одно мгновение, словно самая настоящая
стальная дисковая пила.
Этот бумажный диск служит прекрасной моделью
для режущего приспособления, когда надо резать без
упора, одним легким быстрым прикосновением. Диск
режет краем. Его можно заменить плоским кольцом.
А если так, что может быть лучше нити, натянутой на
вращающиеся шкивы? Но нить из текстиля годится
лишь для опыта, для модели. Для настоящей работы
нужна металлическая нить. Еще лучше взять тросик.
Вращаясь на двух шкивах, он может резать ко-
лосья гораздо быстрее и лучше, чем любые ножи. Тро-
сик — нетупящаяся бритва, и нужно только детально
и продуманно разработать механизм, вводящий его
в действие, предупреждающий попадание колосьев
между тросом и шкивами, загрязнение и засорение
механизма. Здесь опыты с моделями абсолютно неза-
менимы.
Вращение троса на шкивах не единственный ме-
тод, рисующийся конструктору режущего приспособле-
ния комбайна. Можно один конец тросика оставить
совершенно свободным, а другой прикрепить к оси вер-
тикально установленного мотора. Центробежная сила
заставит тросик вытянуться как струну. Вращаясь, он
будет хлестать по стеблям, срезая их на своем пути.
Можно' при этом применить и не один трос, а несколь-
ко тросиков. Такой способ «уборки» на практике зна-
ком каждому, сбивавшему в детстве головы сердитого
13*
195
чертополоха одним взмахом веточки, великолепно
заменявшей саблю.
Кстати, об ударе. Он до сих пор господствует при
молотьбе, и конструкторы лишь внешне отходят от
древнего цепа. Между тем молотилка может действо-
вать и совсем по другому принципу. Сильные и завих-
ренные струи воздуха выбивают зерно fie хуже любого
цепа. К тому же воздух будет подхватывать и уно-
сить отходы, мгновенно производя и вторую опера-
цию — очистку зерна.
Различные нововведения в сельскохозяйствен-
ном машиностроении помогут еще большему совершен-
ствованию машинного парка нашего сельского
хозяйства. Порукой этому служат отличные кадры
машиностроителей, хорошие заводы и научно-исследо-
вательские организации, успешно разрабатывающие
вопросы «земледельческой механики».
Творцом этой совершенно новой науки был Васи-
лий Прохорович Горячкин. Он сумел механику «при-
мирить» с требованиями передовой науки, указывав-
шей, что надо делать, чтобы земля давала наилучший
урожай.
Развивая принципы подобия машин, ученый дока-
зал, что механизация, достигнутая в промышленности,
может переноситься и в сельское хозяйство. Указывая
путь другим исследователям, В. П. Горячкин, поль-
зуясь достижениями науки и практики в общем маши-
ностроении, решил много важных проблем, стоявших,
как камень преткновения, на пути развития сельскохо-
зяйственного' машиностроения. К этим проблемам
относятся в первую очередь теория удара и колеба-
тельных движений, теория масс и скоростей.
Труды В. П. Горячкина открыли широкий путь для
творчества экспериментаторов, для опытов с разнооб-
разнейшими машинами, обрабатывающими землю,
убирающими урожай, служащими для создания ороси-
тельных систем.
Горячкин многие свои работы основывал на прин-
ципах подобия и однородности. В нашей стране рабо-
тает немало его учеников и последователей, также
применяющих теории подобия и моделирования.
196
Модели сельскохозяйственных машин и их глав-
нейших узлов позволяют воочию убедиться в достоин-
ствах новых конструкций, предотвращают брак, по-
могают выбрать наилучший механизм. В тех же слу-
чаях, когда машина делается «прямо с чертежа», все
поправки и доделки приходится выполнять уже в на-
туре, на заводах, в мастерских.
Большие и интересные работы по моделирова-
нию разнообразных машин выполняют Всесоюзный
институт сельскохозяйственного машиностроения
(ВИСХОМ), Государственное конструкторское бюро
по машинам для чая, субтропических культур и гор-
ного земледелия, конструкторское бюро при заводе
имени Ухтомского, конструкторское бюро при заводе
Ростсельмаш и другие.
Эти организации сумели создать машины для меха-
низации таких процессов, которые считались выпол-
нимыми только руками опытных работников сельского
хозяйства. Сюда, например, относится чаеуборочная
машина. Над ней долго работали специалисты.
Чай — одна из самых трудоемких культур. На один
и тот же участок плантации работникам приходится
возвращаться до 12 раз! Один гектар чайной планта-
ции требует затраты около 400 человеко-дней в год.
Из них примерно половина уходит на уборку чая.
Трудность уборки чая заключается главным об-
разом в том, что обламывать надо только нежные
Моделирование «пальцев» чаеуборочной машины.
197
созревшие побеги, оставляя нетронутыми и, конечно,
неповрежденными те, которые не созрели. Тут челове-
ческие пальцы и глаза казались абсолютно незаме-
нимыми: как машина, подъезжающая к чайному ку-
сту, может разобраться, какие побеги ломать, а какие
не трогать?
Модели и другие лабораторные исследования,
а также опыты в поле помогли конструкторам спра-
виться с задачей. Прежде всего создали легкую пере-
движную установку, своего рода подсобную модель для
важнейшего узла чаеуборочной машины — для изу-
чения физико-механических свойств верхушек чайных
побегов, называемых флешами. Эти работы дали воз-
можность определить, какие усилия требуются для
обламывания созревших флешей.
Затем началось моделирование главного органа
машины для уборки чая — «механических пальцев».
Их надо было сделать более осторожными и чувстви-
тельными, чем человеческие пальцы. Материалом по-
служила резина. Трубочки-пальцы, ощупывая чайный
куст, обламывают нежные побеги, прижимая их к не-
подвижным «пальцам» машины.
Если побеги еще грубы, не готовы для уборки, мяг-
кие пальцы чаеуборочной машины деформируются
сами, а побеги выходят из этих зажимов неповреж-
денными. Сломанные флеши подхватываются сильной
струей воздуха, создаваемой крылом вентилятора,
и подаются на сетчатый транспортер, откуда чай уже
попадает в приспособления для сбора урожая.
Велика база для моделирования различных машин
в ВИСХОМе. Здесь создаются новые машины для
уборки зерна, технических культур. Одновременно ра-
ботники ВИСХОМа совершенствуют и выпущенные
ранее машины. Институт располагает специальными
лабораторными установками для изучения обмолота
зерновых культур на корню.
Для исследования устройств, обрабатывающих зем-
лю, в институте пользуются особыми земляными кана-
лами-желобами с землей разного состава, над кото-
рыми двигаются главные части машин или модели их.
Такие каналы помогают в любую погоду, в любое вре-
198
мя года вести исследование машин и их моделей,
предназначенных для обработки почвы, для ухода за
некоторыми культурами, для высева удобрений.
Есть также и модели полей, ждущих «уборки» уро-
жая. На этих «полях» у растений нет корней, стебли
и колосья давно уже мертвы, но они все еще тянутся
вверх, потому что закреплены в особых державках —
деревянных рейках, зажимающих стебли, как в ти-
сках. Исследователь подводит к растениям модель це-
лой машины или ее узла и пускает в ход механизм.
Срезанные колосья падают, подхватываются другими
деталями машины. Такие испытания и исследования
позволяют конструкторам быстро обнаруживать недо-
статки отдельных машин и устранять их.
Много работ по моделированию сельскохозяйствен-
ных машин вело и ведет конструкторское бюро при
заводе Ростсельмаш. В тесном содружестве с работ-
никами колхозов и совхозов это конструкторское бюро
создало за последнее время 27 новых типов высоко-
производительных машин. Копнители Ростсельмаша,
пользующиеся хорошей славой, в виде моделей долго
испытывались на специальных установках. Важной
темой работ конструкторского бюро Ростсельмаша
является изучение процесса резания растений.
Тут применяются комбинации и настоящих машин
и моделей. Вот, склонив головы, стоят высокие под-
солнухи, крепко зажатые между деревянными рейка-
ми. Режущее устройство, связанное с измерительными
приборами, «гильотинирует» один подсолнух за дру-
гим, и исследователи таким образом находят наилуч-
шие типы режущих аппаратов для .уборки такой важ-
ной культуры, как подсолнух.
Интересная модель построена на заводе для изуче-
ния воздушного потока, несущего зерно в сельскохо-
зяйственных машинах. Прежде всего в глаза бросает-
ся огромная труба в виде опрокинутой латинской
буквы «U» (правда, не совсем симметричной). У одно-
го конца ее установлен мощный вентилятор, создаю-
щий необходимую тягу. Другой конец трубы служит
для наблюдений и замеров, необходимых при этих
важных исследованиях.
199
Это своего рода «аэродинамическая труба» кон-
структоров уборочных машин. Но аэродинамическая
труба при изучении транспортных машин служит для
наблюдения за тем, как струи воздуха ведут себя, на-
бегая на неподвижное тело — крыло или другие дета-
ж, а иногда и целую машину. А тут воздух подхваты-
вает и несет «твердые тела» — самые различные зерна.
Когда пускается в ход вентилятор, создается необ-
ходимая тяга и подхваченное струями воздуха зерно
с сильным однообразным шорохом летит по трубе.
У каждого сорта зерна есть свои «аэродинамические
свойства». Для одного нужна одна тяга воздуха, для
другого — другая.
Точное определение этого на модели «воздушного
транспорта» для зерна имеет важное значение. При
недостатке тяги трубопроводы в машинах будут за-
биваться зернами. Избыток тяги — лишний расход
энергии, связанный с повреждением и зерна и деталей
машины.
«Аэродинамические трубы» разного устройства
в сельскохозяйственном машиностроении позволяют
изучать новый вид уборки — воздухом — самых раз-
личных культур.
Научно-исследовательская экспериментальная ра-
бота при создании и совершенствовании сельскохозяй-
ственных машин стала необходимой не только в спе-
циальных институтах, но и на всех крупных заводах
сельскохозяйственного машиностроения. И моделиро-
вание в этой экспериментальной работе начинает за-
нимать надлежащее место.
Не малая доля работы в этом направлении падает
и на плечи людей, непосредственно обслуживающих
машины на полях, в садах, огородах.
Вот один из примеров. У нас машины убирают не
только зерно, но и солому и полову. Между работой
комбайна, убирающего зерно, и уборкой соломы обра-
зуется разрыв, который колхозники пытались устра-
нить собственными силами. Они сделали несколько
примитивных моделей особых волокуш, прицепляемых
к комбайну, а потом создали и настоящие волокуши,
которые вызвали удивление даже академиков, круп-
200
нейших специалистов по сельскому хозяйству. «Вот
какой должна быть взаимосвязь между операциями
уборки урожая!» — воскликнул один ученый, увидев-
ший действие волокуши, изготовленной силами МТС.
Если представить себе машины для производства
земляных работ всех видов, для посевов, для уборки
урожая выстроившимися в один ряд, то на одном
фланге окажутся гиганты, подобные шагающим экска-
ваторам и сверхмощным землесосам, а на другом —
маленькие садовые тракторы, механические бурава,
копающие ямы для столбов сельских электрических
сетей, маленькие многоковшовые экскаваторы для очи-
стки каналов мелких оросительной и осушительной
систем и для строительства новых каналов, зерновые и
овощные комбайны, рассадопосадочные машины, ма-
шины для квадратно-гнездовой посадки картофеля,
посева кукурузы, уборки капусты, изготовления тор-
фоперегнойных горшочков — всего не перечислить.
И все эти машины и механизмы в той или другой мере
прошли стадию моделирования, прежде чем экспери-
ментальные заводы начали изготовление их образцов.
Моделированию в сельском хозяйстве поддается
все, начиная с почв и кончая климатом для изучения
влияния его на разные растения, на вредителей и т. д.
Изучение почвы, создание «моделей почвы», соответ-
ствующих тем или другим условиям, ведется в нашей
стране недавно. Сейчас, когда у нас идет освоение це-
линных и залежных земель, это моделирование имеет
особое значение. Оно должно дать важные сведения и
почвоведам и специалистам, создающим новые сель-
скохозяйственные машины.
ГИГАНТЫ
СТАЛЬНОЕ СЕРДЦЕ
танцмя Сходня... Осенние листья
медленно, словно нехотя падают на
влажную почерневшую землю.
Древние мачтовые сосны стоят сте-
ной, и их далекие вершины рисуют-
ся на бледном подмосковном небе
четкими зубцами старой крепости.
Тишина, покой — здесь хорошо от-
дыхать.
Но еще несколько минут пути —
и как будто оказываешься в другом мире. Мгновенно
забыто все: и дорога, и тихий лес, и голый кустар-
ник, и поля. Сильный гул льющейся воды властно на-
поминает о вечном, неустанном движении. Целый
водопад, скрытый трубой, обрушивается в железобе-
тонную камеру турбины. Чувствуешь привычное и ров-
ное содрогание, ритм правильной работы, большой ма-
шины.
Там, в глубине, в воде и пене, вертится колесо
большой турбины такой мощности, что ее хватило бы
для обслуживания целого населенного пункта:
2 500 киловатт, почти 3 500 лошадиных сил.
Смотришь на гидроагрегат и словно видишь колос-
сальную упряжку в 3 500 лошадей, мчащихся тебе на-
встречу в пене, в брызгах воды. Но оказывается, что
эти тысячи лошадей мчатся, вырываясь из турбинной
камеры... всего лишь модели.
202
Зачем же нужно модель делать столь мощной,
фактически испытывать настоящую машину?
Невиданные масштабы работ, развернувшихся на
Волге, потребовали особо тщательной проверки всех
предложений, как бы хороши они ни были, какие авто-
ритеты их ни делали бы. Поэтому решено было со-
здать модель куйбышевской турбины таких размеров,
какие применяются весьма редко.
Обычный размер моделей гидротурбины — 7so и
720 натуры. Новая модель — 7ю натуры. А так как
натура имеет диаметр колеса, равный почти 10 мет-
рам, то и колесо модели получилось весьма солид-
ным — диаметром в один метр.
«Малая турбина» Куйбышевской ГЭС. Так назва-
ли работники Металлического завода имени
И. В. Сталина модель, установленную на Сходненской
гидроиспытательной станции Гидропроекта. Мощный
трубопровод подает воду в водозаборный бассейн, от-
куда она падает в турбинную камеру с высоты
35. метров. Эта камера — массивное железобетонное
сооружение, рассчитанное на сопротивление бушую-
щим потокам воды. Как на настоящей гидростанции,
здесь предусмотрены устройства для гашения энергии
воды. В нижний бьеф стекает вода, уже лишенная
своего разрушительного порыва, растраченного
в столкновении ё гасителями.
Артиллеристы, стремящиеся как можно быстрее
«накрыть цель», применяют так называемую «вилку»:
снаряд выпускается с явным расчетом на недо-
лет, второй на перелет, и мишень, очутившуюся в
такой «вилке», гораздо легче поразить третьим сна-
рядом.
К своего рода «вилке» прибегают и машинострои-
тели, исследующие работу моделей. Одна из моделей
берется большой 'мощности, другая — гораздо мень-
шей. Модели работают в одинаковых условиях, и ис-
следователи сразу видят, как действуют на подобные
машины перегрузки, резкие колебания напора воды,
колебания расхода энергии. Одна из машин тут же
почти «сдает», другая — бодро справляется с тяже-
лым испытанием. Это позволяет быстро определять
203
режим, в котором выгоднее и надежнее всего будет
действовать настоящая машина.
«Двойником» модели в 2 500 киловатт на Сходне
служит машина мощностью в 750 киловатт. Точность
«прицела» испытателей турбин-моделей значительно
повышается благодаря такому способу исследования,
подсказанному многолетним опытом эксплуатации
мощных турбин — машин выносливых, надежных, но
«не любящих» работать в режиме, не предусмотрен-
ном их конструкцией.
Смотришь, как работают модели, и представляешь
себе действие их гигантского подобия — машин в де-
сять, в тридцать раз больших. Невольно думаешь
о том, как люди пришли к этим гигантам, начав
с того, что поставили на пути движения воды первое
колесо.
Водяное колесо постепенно становится все мощ-
нее и больше, все совершеннее. Оно постепенно ме-
няет форму, устройство обрастает все новыми и новы-
ми деталями. Теперь рабочее колесо гидротурбины, ее
ротор — шедевр машиностроения.
Ротор турбины должен соответствовать «индиви-
дуальным» свойствам реки. Есть роторы, предназна-
ченные для бурных, стремительных рек, для воды, па-
дающей с большой высоты, для полноводных широких
рек с едва заметным течением. В Цимлянском гидро-
узле колебания напора воды происходят от 17 до
24 метров. При таких напорах вода «требует» тихо-
ходных и очень громоздких турбин, у которых лопа-
сти ротора укреплены неподвижно.
Гораздо целесообразнее, однако, пользоваться ро-
торами с лопастями, которые поворачиваются всегда
под наиболее выгодным углом к потоку воды в каме-
ре турбины. Такие машины называются поворотноло-
пастными. Чтобы лопасти автоматически выбирали
самое выгодное положение, их поворот делается спе-
циальным механизмом, связанным с лопатками аппа-
рата, направляющего воду в турбину.
Поворотнолопастные турбины в мировой практике
никогда еще не изготовлялись для таких напоров во-
ды, как у Цимлянской и Волжской плотин. Смелое
204
решение потребовало
большой подготовитель-
ной научно-исследова-
тельской работы, вы-
числений, опытов на
разных моделях новой
турбины.
Особенно тщатель-
но модель цимлян-
ской турбины исследо-
валась на Металличе-
ском заводе имени
И. В. Сталина, в гидро-
технической лаборато-
рии. Модели ротора
проходили такие суро-
вые испытания, какие
никогда на выпадут на
долю колес настоящих
турбин, работающих в
донской воде. Зато пер-
вая же турбина блестя-
ще выдержала экзамен.
Ротор турбины в лаборатории и
на гидроэлектростанции.
Турбинный ротор давно уже потерял всякое сход-
ство с тем деревянным сооружением, которое лениво
крутилось на реках, ударяя по воде своими грубыми
лопатками. Ротор цимлянской турбины больше всего
похож на пароходный винт, но только огромный, на
каждой лопасти которого можно поставить автомаши-
ну. Диаметр колеса куйбышевской турбины пример-
но в полтора раза больше, чем у цимлянской. Какой
водоворот бушует ;в потоке воды, когда в нем вертит-
ся этот гигантский стальной пропеллер!
Величественны гидротехнические сооружения, под-
нимающиеся над рекой, словно часть гигантского под-
водного города. Горы земли и бетона уложены здесь.
Годы напряженной творческой научной работы, годы
созидательного труда людей и бесчисленных машин
нужны были для постройки плотины и гидроэлектро-
станции. И все это, чтобы завертелось колесо турби-
ны, такое крошечное по сравнению с размерами всего
205
грандиозного сооружения. Нет внешнего сходства
между ритмичными движениями человеческого серд-
ца и неизменным плавным вращением ротора турби-
ны. Но нельзя подобрать лучшего сравнения, чтобы
кратко охарактеризовать значение турбины во всем
гидротехническом сооружении. Это стальное сердце
всей огромной системы.
Сложны условия работы «водяной машины». Хотя
ее колесо безостановочно вращается все в одну и ту
же сторону, все в той же воде, но грозят сталь-
ному сердцу ГЭС и «перебои» — пульсации — и даже
удары.
Основные детали гидравлической турбины в моде-
лях, рисунках, чертежах и расчетах появились в ра-
ботах выдающихся физиков уже несколько столетий
назад. Но словно части сложного механизма, рассы-
панные неумелым сборщиком, эти детали никак не
соединялись в единое, стройное целое. Уж очень труд-
ной была задача.
Академик В. А. Обручев, характеризуя борьбу ста-
рого и нового в науке и технике, говорит, что старое,
укоренившееся, можно сравнить с дубом, новое —
с былинкой, превращающейся затем в еще более
мощное дерево. Но этой былинке порою угрожает
гибель, если условия для ее развития слишком небла-
гоприятны.
Водяное колесо было уже мощным двигателем,
работавшим во всех частях света, «дубом», укоренив-
шимся, могучим. А его будущий соперник и победи-
тель появился в лаборатории в виде хрупкой стеклян-
ной игрушки — почти невесомой «былинки».
Прибор действовал поразительно просто. В ци-
линдрический сосуд с двумя изогнутыми трубками,
расположенными у самого дна, и укрепленный так,
чтобы он мог свободно вращаться, наливается вода.
Реактивные силы, вызванные струями воды, вытекаю-
щими из трубок, толкают цилиндр в сторону, противо-
положную направлению струй, и «ротор» прибора
приходит в движение.
Этот остроумно выполненный прибор сделал вен-
герский ученый Сегнер. В свое время прибором очень
206
«Предок» реактивной турби-
ны — сегнерово колесо и его
«потомок».
заинтересовался член Пе-
тербургской Академии
наук Леонард Эйлер.
Много лет он отдал изу-
чению действия сегнеро-
ва колеса.
И кажется, сейчас от-
четливо видишь горячего
исследователя первой мо-
дели реактивной турбины
тут, рядом, где идет на-
пряженное испытание мо-
дели современной турби-
ны. Высокий, стройный,
с большими голубыми
глазами мечтателя, в на-
рядном кафтане с пыш-
ными кружевными ман-
жетами, какие тогда но-
сили, он держит в длин-
ных тонких пальцах хруп-
кое сегнерово колесо и
старается проникнуть во
все тайны этой крошеч-
ной лабораторной игрушки.
В 1750 году Эйлер написал работу, носящую назва-
ние «О действии машины гидравлической, предложен-
ной Сегнером». В 1751 году Эйлер этой машине посвя-
тил новый труд — «Применение машины г. Сегнера».
Через три года в новом исследовании, «Теория более
полная машин, приводимых в движение действием во-
ды», Эйлер развил теоретическое исследование сегне-
рова колеса, движение которого многими учеными по-
нималось и объяснялось неправильно.
Какой смысл был в затрате такого труда на иссле-
дование крошечной машины? Зачем нужно было узна-'
вать, с каким коэффициентом полезного действия вра-
щается маленький цилиндр, выбрасывая в разные
стороны две тонкие струи воды?
Гениальный ученый понял, что в разгадке секретов
движения сегнерова колеса кроется возможность со-
207
здания больших, мощных машин, при постройке кото-
рых очень важно будет знать их коэффициент полезно-
го действия и пути его повышения. Он чувствовал,
какое великое будущее ждет новый принцип движения
водяных колес, и сделал все, чтобы расчистить путь
грядущим исследователям.
Как ни странно это для нашего современника, но
двести лет назад ученому легче было произвести тон-
чайший математический анализ, чем сделать элемен-
тарный опыт для проверки своих же теоретических
рассуждений, не говоря уже о постройке машины. Тех-
ника тогда еще не была в силах найти применение
новому двигателю, не знала, в какие формы его облечь.
Идеи Сегнера, Эйлера и других ученых впервые во-
плотились в настоящую машину спустя почти сто лет
после работ Эйлера. С тех пор появились гидротурби-
ны разного устройства. Все они делятся на активные
и реактивные. В активных турбинах используется удар
о ковш рабочего колеса струи воды, падающей с боль-
шой высоты.
Большинство турбин — реактивные. Их действие
основано на теории сегнерова колеса, так успешно раз-
витой Эйлером. И хотя между огромной турбиной и
крошечной машиной Сегнера внешне нет никакого
сходства, принцип их действия одинаков: рабочее коле-
со, ротор, вращается в сторону, противоположную на-
правлению струй, обтекающих его лопатки.
У современной реактивной турбины немного основ-
ных деталей: турбинная камера, направляющий аппа-
рат, ротор и всасывающая труба.
Вода, сдерживаемая плотиной, попадает в турбин-
ную камеру, сделанную в виде гигантской спирали.
Сечение этой камеры широкое у входа и узкое к концу.
Скорость воды, попадающей из камеры к лопаткам
рабочего колеса, одинакова по всей окружности коле-
са: то, что теряется из-за сопротивления, встречаемого
водой на ее пути, компенсируется постепенным ростом
скорости, вызываемым сужением камеры. Через узкое
отверстие жидкость всегда идет с большей скоростью.
Вместе с тем спиральная форма камеры обеспечи-
вает и одинаковое направление струй воды, давящих
208
на лопатки ротора. Выполнение этой задачи особенно
облегчается благодаря применению направляющего
аппарата. Главные его части — лопатки обтекаемого
профиля, автоматически поворачивающиеся так, чтобы
на лопатки рабочего колеса вода поступала только
в требуемом направлении и с одинаковой скоростью.
Почему нельзя обойтись без таких деталей? Это об-
наружил еще Эйлер.
Он открыл, что колесо Сегнера должно пополняться
водой в направлении вращения «машины». При этом
и скорость подачи воды и скорость вращения колеса
должны быть равными. Только тогда не будут проис-
ходить гидравлические удары из-за резкого изменения
скоростей потоков жидкости. Это требование «безудар-
ного входа» жидкости всегда строго выполняется.
Эйлер указал, каким образом можно избежать гид-
равлических ударов при работе гидрореактивной уста-
новки. Для этого он воспользовался все той же моделью
реактивной турбины — сегнеровым колесом — и снаб-
дил ее неподвижным резервуаром с трубками, изогну-
тыми так, что направление струи воды, вырывавшейся
из этих трубок, всегда совпадало с направлением
струи, вытекавшей из подвижной изогнутой трубки.
Эта подвижная трубка и была собственно' колесом Сег-
нера, прообразом ротора турбины.
Вода, отдавшая энергию ротору турбины, на волю
вырывается через трубу, расширяющуюся к выходному
концу. Она называется всасывающей или отсасываю-
щей.
Вся схема турбины выглядит весьма просто. Но
каждый сантиметр пути, начиная от решетки, защи-
щающей турбинную камеру от попадания посторонних
предметов, и кончая нижним краем всасывающей тру-
бы, — плод огромной научно-исследовательской рабо-
ты. Здесь любой почти незаметный глазу изгиб бетон-
ной поверхности, малейшие изменения конфигурации
стальных деталей турбины дают эффект, равносильный
либо выигрышу, либо потере огромной мощности.
Особый интерес представляют исследования всасы-
вающей трубы. Через эту трубу проходит вода, отдав-
шая свою энергию колесу турбины и вырывающаяся
14 Тайны моделей
209
в реку ниже плотины. Чтобы турбинное колесо полу-
чало максимум энергии, всасывающая труба должна
была бы представлять идеальное сооружение, в кото-
ром не происходило бы потерь энергии. Такой трубы
создать нельзя, но приближение к этому идеалу яв-
ляется целью строителей гидротурбин.
В то же время от формы и размеров всасывающей
трубы зависит размер нижнего блока здания ГЭС —
одного из «этажей» гидроэлектростанции. О том, что
представляет собою нижний блок, можно судить по
размерам его на одной из станций: длина 182 метра,
высота 53 метра — почти тринадцатиэтажный дом!
Чем меньше высота всасывающей трубы, располо-
женной непосредственно ниже турбины, тем ниже и
весь блок. Однако уменьшение высоты всасывающей
трубы вызывает ухудшение условий выхода воды, и по-
тери энергии увеличиваются.
Для изучения моделей всасывающих труб, турбин-
ных колес и моделей других деталей гидроузлов в од-
ной из лабораторий Всесоюзного научно-исследователь-
ского института гидромашиностроения было отведено
пять этажей. «Река», дающая энергию для испытания
турбин, находится в самом нижнем этаже — это мощ-
ные насосы, гонящие вверх целые потоки для образо-
вания требуемого напора.
Турбины гидроэлектростанций работают для полу-
чения электроэнергии. Энергию турбин лаборатории ин-
ститута как нечто бесполезное гасят специальные
тормоза. Но многочисленные приборы, как ожерелье,
расположенные вокруг турбин, позволяют судить о ма-
шинах на ходу и определять важнейшие показатели
их работы, в том числе и коэффициент полезного дей-
ствия установки.
Мощность, отдаваемая водой турбине, определяется
разностью уровней воды у плотины и ниже ее, — иначе
говоря, разностью да(влений воды в этих двух местах.
Но рабочее колесо турбины находится значительно вы-
ше нижнего уровня воды и, следовательно, использует
только часть полагающейся ему мощности, которую
обеспечивает разность уровней — верхнего и ниж-
него.
210
Вырвавшись из пространства, занятого рабочим ко-
лесом, вода сразу меняет характер своего движения:
происходит торможение, сказывающееся на всей работе
колеса. Избежать этого можно, только искусственно
«продлив» рабочее помещение, в котором вода движет-
ся попрежнему. Это и достигается всасывающей тру-
бой, доходящей до нижнего уровня воды и создающей
как бы единую мощную струю воды. Тогда давление,
испытываемое колесом, практически будет вызываться
полной разностью высоты верхнего и нижнего уровня
воды.
Всасывающая труба вместе с тем способствует и
более полному использованию энергии уходящей воды.
Если эта труба будет цилиндрической, с диаметром,
равным диаметру колеса, то скорость воды в начале
и в низу трубы будет одинаковой, то-есть бесцельно
унесется много энергии. Зато расширяющаяся книзу
труба — коническая — не имеет такого недостатка:
она выпускает воду, текущую гораздо медленнее.
Отдача энергии ротору происходит в этом случае
полнее.
Много важных исследований провел Московский ин-
ститут инженеров водного хозяйства имени В. Р. Виль-
ямса. На больших моделях ученые добивались при по-
мощи разных всасывающих труб как бы перемещения
ротора турбины в самую низкую точку водяного пото-
ка для лучшего использования его энергии.
На модели Каховской гидроэлектростанции одна за
другой менялись всасывающие трубы. Все они различ-
ной формы, хотя глаз непосвященного порою и не улав-
ливает разницы. Но специалисты, наблюдая за прибо-
рами, определяющими эффективность действия турби-
ны, нашли то, к чему стремились.
Гидравлическое сопротивление последней всасы-
вающей трубы удалось понизить, правильно выбрав
все ее очертания: вода идет через нее быстрее, с мень-
шими завихрениями. Приборы сообщают, что эффек-
тивность использования энергии потока повысилась на
2—2,5 процента. Это как будто небольшая доля, но,
например, на Куйбышевской ГЭС повышение коэффи-
циента полезного действия турбины хотя бы на один
14*
211
процент равносильно выигрышу мощности по всей
станции в 21 тысячу киловатт.
Улучшенная форма всасывающей трубы, найденная
на модели для Каховской ГЭС, кроме повышения эф-
фективности действия турбины, дала еще возможность
почти на 3 метра уменьшить погружение в грунт осно-
вания здания. Объем бетонных работ на строительстве
Каховской ГЭС поэтому сократился почти на 25 тысяч
кубометров, примерно на 15 процентов. Меньше в свя-
зи с этим оказался и объем земляных работ.
Таким образом, модели помогли выбрать наилуч-
шую конструкцию всасывающей трубы для Каховской
ГЭС и сэкономить огромные суммы народных средств.
Через турбину Днепрогэса проходят в секунду
200 кубометров воды. В два с половиной раза больше
пропускают турбины Угличской и Щербаковской
ГЭС — 500 кубических метров воды в секунду. Куйбы-
шевская турбина рассчитана на пропуск 600 кубиче-
ских метров в секунду — воды целой большой реки
как раз хватило бы только для одной турбины, уста-
новленной на Куйбышевском гидроузле!
Качество турбины измеряется ее коэффициентом
полезного действия. У современных гидротурбин этот
коэффициент весьма высок: он достигает 93 процентов.
7 процентов уносятся с водою, вырывающейся из тур-
бины с большой скоростью, теряются на совершенно
неизбежное трение. Ведь, например, общее давление на
подпятник, на который опирается колесо турбины, вме-
сте с напором воды, вращающей это колесо, прибли-
жается к 3 тысячам тонн. А между тем каждый процент
этих почти неуловимых семи, каждая доля процента —
громадная мощность, сбережение которой дело' чести
конструкторов турбин.
Мощность куйбышевской турбины 126 тысяч кило-
ватт при нормальном напоре воды. Все турбины
Куйбышевской и Сталинградской гидроэлектростанций
при повышении их коэффициента полезного действия
на один только процент позволили бы сэкономить
дополнительную мощность около 40 тысяч кило-
ватт. Это равносильно постройке новой большой гидро-
электростанции, примерно Волховской.
212
Понятно, с какой тщательностью проектировались
и исследовались все детали турбин-гигантов, в особен-
ности их проточные части, где вода отдает свою энер-
гию, ударяя о лопасти колеса.
Уникальные турбины для Цимлянского, Куйбышев-
ского и Сталинградского гидроузлов строил замеча-
тельный коллектив Ленинградского металлического
завода имени И. В. Сталина. Заводу помогали многие
ученые страны, различные предприятия и институты.
Много было разных вариантов, много предложений,
менявших конструкцию турбин. И все это необходимо
было проверить на модели, потому что ни один завод
в мире не может проводить предварительных испыта-
ний уже изготовленной турбины.
С завода турбина поступает прямо на гидростан-
цию, монтируется и начинает «рабочую жизнь» сразу
же в момент пуока. Если плохо изучались модели тур-
бины, не велись тщательно испытания их, много сюр-
призов может преподнести турбина своим строителям.
ВРАГИ ТУРБИН
У мощных гидротурбин есть немало врагов, напри-
мер вибрация, колебания. Это один из опаснейших
врагов, грозящих любому механизму, особенно имею-
щему тяжелые или очень быстро вращающиеся детали.
Страшнее всего, когда колебания начинают дей-
ствовать в такт и сотрясение, вызываемое ими, растет,
как лавина.
Колебания в такт ощущал на себе каждый, качав-
шийся на качелях. Если доску качелей раскачивать
в такт ее собственным колебаниям, которые она делает
независимо от усилий катающегося, размахи могут до-
стигнуть огромной величины.
Пароход иногда может потерпеть крушение, если
колебания волн совпадут с его собственными колеба-
ниями. Они происходили бы и на спокойном море, если
бы какие-нибудь мощные силы на мгновение погрузи-
ли судно глубже нормальной осадки, а потом отпусти-
ли его. Корабль запрыгал бы на поверхности воды, как
поплавок, дернутый рыбой.
213
Такие колебания зависят только от размеров ко-
рабля и особенностей его конструкции. Поэтому они
свойственны лишь данному типу корабля.
При совпадении такта собственных «прыжков» па-
рохода (а он их обязательно совершает во время бури)
с тактом колебаний волн размахи корабля на «мор-
ских качелях» становятся все больше и все опаснее.
В подобных случаях говорят, что наступило «попада-
ние в резонанс», то-есть что колебания накапливаются.
Галилей, зная, с какой собственной частотой дол-
жен колебаться тяжелый маятник часов, заставил его
гирю двигаться, только слегка дуя на нее. Физик Эли-
кот пустил в ход одни часы тиканьем других, хотя
между обоими механизмами была глухая стена.
Колебания тела, приближаясь к резонансу с коле-
баниями среды, вызывающей их, становятся грозными,
разрушительными. Неуменье бороться с зарождением
и развитием таких колебаний в машинах и сооруже-
ниях раньше часто приводило к катастрофам. Напри-
мер, самолеты, сконструированные как будто по всем
правилам, разваливались в воздухе на части во время
первых же серьезных испытаний.
Куйбышевская и Сталинградская гидростанции
снабжены турбинами с шестилопастными рабочими ко-
лесами. Вес каждой лопасти двадцать тонн, а всего
колеса — около четырехсот тонн. Вал турбины соответ-
ствует колесу 1,5 метра диаметром, длиною свыше
10 метров и весом в 90 тонн.
Падая с высоты в 22,5 метра, 600—700 кубометров
воды каждую секунду ударяют по лопастям гигант-
ского колеса. Какая тут нужна прочность всех деталей,
как нужно обдумать каждую мелочь, чтобы водопад,
обрушивающийся на рабочее колесо турбины, не по-
вредил его и отдавал бы ему максимум своей энергии!
И как нужно было все продумать, сколько сделать
испытаний моделей, чтобы где-нибудь не притаилась
опасность вибрации!
Исследования вибрации лопастей Куйбышевской
турбины на ее моделях проводились Институтом
машиноведения Академии наук СССР. Эти исследова-
ния отличаются большой сложностью, так как надо
214
не только установить, что лопасти вибрируют, но и най-
ти очаги колебаний, способ уничтожить их или сделать
безопасными.
Для всего этого необходимы специальные методы
наблюдений и соответствующая измерительная аппара-
тура — ведь исследовать надо работающую машину,
колесо которой вращается с большой скоростью.
Добраться непосредственно до лопастей турбины
невозможно. Поэтому приборами приходится «ощупы-
вать» неподвижные детали модели, сотрясаемые целым
«•набором» вибраций. Определив частоту каждой из
них, исследователи находят виновника и решают, пред-
ставляет ли это дрожание металла опасность или оно
не требует особых мер борьбы.
При исследовании вибраций особое значение имеют
пьезоэлектрические приборы. Их главная часть — щу-
пы, основанные на свойстве некоторых кристаллов пре-
вращать механические колебания в электрические за-
ряды. Если пластинку кварца сжать, на ее гранях
появляется заряд, который нетрудно измерить вольт-
метром. Еще эффективнее работают пластинки из сег-
нетовой соли.
Много лет назад французский аптекарь Сегнет в сво-
ей аптеке пытался составить новое лекарство для ле-
чения желудочных заболеваний, ставших настоящим
бедствием в Ля-Рошели, где жил Сегнет.
После долгих опытов аптекарь получил кристаллы
нового, неизвестного ни ему, ни другим лекарства. Они
были прозрачными, чуть желтоватыми и легко слипа-
лись, поглощая влагу воздуха.
К своему сожалению, Сегнет скоро убедился, что
не нашел того, что искал. Кристаллы оказались мало-
эффективными в борьбе с желудочными заболевания-
ми. Имя Сегнета было бы совершенно забыто, если бы
в кристаллах, приготовленных им, не таилась таин-
ственная способность давать при механических колеба-
ниях невиданные по величине электрические заряды.
Если по пластинке, приготовленной из сегнетовой соли,
слегка ударить резиновым молотком, неоновая лам-
почка, соединенная с этой пластинкой, ярко вспыхи-
вает.
215
Щупы из сегнетовой соли — вибрографы — теперь
применяются в самых различных отраслях техники.
Эти вибрографы настолько чувствительны, что улавли-
вают колебания, вызываемые движением маятника
в ручных часах.
Модели, снабженные в опасных точках пластинка-
ми из сегнетовой соли, позволяют улавливать все виб-
рации, какие только могут, происходить в машинах
данного типа. Изменениями неудачных конструкций
деталей исследователи добиваются полного уничтоже-
ния вибрации или делают ее безвредной для всей уста-
новки.
Вибрация — враг очень многих машин. Но у турбин
есть и свой специфический враг — кавитация.
С кавитацией инженеры-турбостроители познакоми-
лись на горьком опыте в конце прошлого столетия. Не-
ожиданно лопатки рабочих колес гидротурбин оказа-
лись тяжело поврежденными, металл их сделался
губчатым, пронизанным множеством пор. Исследова-
ния этих разрушений потребовали много времени и
трудов. Выполнить их можно было только при помощи
различного рода моделей, сыгравших решающую роль
в раскрытии тайны кавитации.
Член Петербургской Академии наук Д. Бернулли
почти двести лет назад установил, что скорость дви-
жения жидкости и давление в ней неразрывно связаны
друг с другом. Чем выше скорость движения жидкости,
тем ниже в ней давление. Следовательно, при некото-
рой скорости в тех или других местах жидкости давле-
ние может настолько понизиться, что начнется паро-
образование. Пузырьки, наполненные паром, двигаясь
по воде, достигают областей с более высоким давле-
нием. Тотчас же происходит конденсация пара, и там,
где был пузырек, оказывается безвоздушное простран-
ство.
Вода с огромной силой устремляется в эти пустоты
и наносит удар за ударом по всему, что находится
в жидкости. О силе этих ударов можно судить по тому,
что~ давления, создаваемые водяными «тисками», до-
стигают при неблагоприятных условиях сотен и тысяч
атмосфер. Это явление названо кавитацией.
216
Кавитация ограничивает скорость вращения ротора
турбины и препятствует установке очень выгодных по-
воротнолопастных турбин при напорах, превышающих
30 — 35 метров.
В заводской лаборатории Ленинградского металли-
ческого завода имени И. В. Сталина при помощи стро-
боскопа обязательно исследуется действие на лопасти
модели турбины гидравлических ударов, происходящих
с частотой нескольких сотен в секунду.
Удары водяных струй постепенно выбивают части-
цы металла, и на поверхности лопаток рабочего коле-
са турбины появляются углубления. Выкрашивание ме-
талла вследствие кавитации быстро разрушает лопат-
ки, так как бесчисленные удары очень большой силы
по их поверхности следуют один за другим. Иногда ка-
витация вызывает аварию спустя несколько часов после
начала парообразования в воде.
Но даже если разрушение металла идет медленно,
кавитация все равно представляет очень большое зло:
понижаются коэффициент полезного действия гидротур-
бины, ее мощность, удары по лопаткам рабочего коле-
са передаются всей установке.
Чтобы бороться с кавитацией, надо знать, при каких
условиях она начинается. Для этого прежде всего необ-
ходимо найти «коэффициент кавитации», показываю-
щий, при каком давлении в камере рабочего колеса ло-
патки турбины будут работать без кавитации. Находят
этот коэффициент при помощи опытов с моделью тур-
бины данного типа.
Модель работает на специальном испытательном
стенде, в котором кавитация вызывается искусственным
путем: давление в воде понижается благодаря откачи-
ванию воздуха из камеры рабочего колеса. Опыты с мо-
делями, где искусственно создается вакуум, позволяют
выяснить и стойкость испытуемой детали и способы
предупреждения кавитации.
В Московском энергетическом институте имени
В. М. Молотова есть кавитационный стенд для исследо-
вания новых конструкций рабочего колеса гидротурбин,
подводящих устройств, всасывающих труб. На этом
стенде производятся и энергетические и кавитационные
217
Кавитационный
стенд.
исследования гидротурбин. Вода, циркулирующая
в трубах и аппаратах стенда, отделяется от остальной
водопроводной системы* института. При кавитационных
исследованиях, требующих вакуума, стенд герметиче-
ски изолируется и от атмосферы.
Вода подается насосами сначала в бак, где из нее
извлекается воздух. Затем по напорной трубе она
устремляется в турбину и приводит в движение рабо-
чее колесо. Для создания различной нагрузки турбины
служит особый тормоз — тормозящая лента, надетая
на вал машины и соединенная двумя тросами с весами.
Они позволяют определять усилия, действующие на вал.
Отработавшая вода попадает в сливной бак, из ко-
торого при кавитационных испытаниях воздух отка-
чивается вакуум-насосами. Открывая или закрывая
специальный вентиль на трубе, входящей в верхнюю
часть сливного бака, можно регулировать вакуум.
Кавитационный коэффициент определяется по на-
чинающемуся падению коэффициента полезного дей-
ствия турбины или по уменьшению числа оборотов ра-
бочего колеса.
Во время испытания турбин необходимо наблюдать
за потоком воды в камере рабочего колеса и произво-
дить там различные исследования. Для этого камера
рабочего колеса сделана так, что к ней открыт доступ
и ее можно менять. Кроме металлической камеры, есть
еще прозрачная пластмассовая, сквозь стенки которой
видно все, что происходит в водном потоке.
Фундаментом науки конструирования гигантских
машин служит учение о прочности материалов. Но что-
бы знать, выдержит ли та или другая деталь выпавшую
ей нагрузку, надо отчетливо представить себе все уси-
лия, которые могут действовать на изучаемую часть
машины.
Лаборатории металлов наших научно-исследова-
тельских институтов и заводов имеют много перво-
классных машин. С их помощью инженеры, заставляя
на моделях металл преждевременно «уставать», изуча-
ют, как различные виды нагрузки влияют на него.
Турбины и другие машины на электростанциях ра-
ботают с нагрузкой, неизбежно меняющейся в течение
219
суток. А всякое колебание нагрузки, всякие толчки
вредно действуют не только на сложные детали, но и на
самые простейшие. Можно сломать очень прочную до-
ску, если попеременно то класть, то снимать груз на
конце доски.
Много лет назад на одной электростанции работал
старый дизель, вращавший ротор генератора. Однаж-
ды жители прилегающего района были напуганы стран-
ным происшествием. Над ними с адским свистом и во-
ем что-то пронеслось и скрылось вдали. После долгих
поисков нашли «виновников» этого события: огромные
куски маховика дизеля электростанции.
Маховик во время работы на полном ходу разле-
телся на куски, которые, пробив стены и крышу здания,
напугали жителей, пролетев над городом, словно сна-
ряды невиданных размеров.
Экспертиза, произведенная специалистами, устано-
вила, что причиной аварии была усталость металла.
Частицы металла, долго подвергающегося перемен-
ной нагрузке, каждый раз меняют свое расположение
относительно друг друга и в конце концов «изнаши-
ваются», как истирается в пыль песок в быстро вра-
щающемся стальном барабане. Между «износившими-
ся» частицами, потерявшими способность упруго воз-
вращаться на место после исчезновения толчка, обра-
зуются сначала тончайшие, а потом все более широкие
промежутки. Уставший металл ломается.
Испытывать большую, «настоящую» машину на
предел усталости нельзя, и таким «терзаниям» подвер-
гаются специальные модели. Например, меняя разме-
ры роторов модели турбины, испытывающейся на уста-
лость, инженеры определяют, как при увеличении раз-
меров машины изменяется предел усталости металла.
Так моделируют усталость, которая при неблаго-
приятных условиях может возникнуть в любой детали
мощной машины.
Прост и доступен способ определения действитель-
ных напряжений во вращающихся частях машин и их
моделях, разработанный в лаборатории Института ма-
шиноведения АН СССР профессором Н. И. Пригоров-
ским.
220
Очень хрупкий лак наносится на исследуемые места
модели, и она пускается в ход. Там, где напряжения
в металле превосходят некоторую определенную вели-
чину, лак трескается. После остановки машин «узор»
трещин на слоях лака показывает опытному глазу, где
сосредоточиваются опасные механические напряжения
в металле.
Модели гигантских машин позволяют не только
производить различные испытания, чтобы убедиться
в хорошей работе настоящих машин. Изучая модели
машин и их деталей, инженеры находят пути для умень-
шения веса установок, упрощения их, удешевления.
Теория требовала от конструкторов, работавших
над турбинами для Куйбышева и Сталинграда, чтобы
ротор был как можно меньших размеров, чтобы лиш-
ний металл не вращался в огромной турбине. Однако
лопасть, весящая много тонн и подвергающаяся еще
более мощному давлению воды, должна обладать
большой механической прочностью. Ученые, помогав-
шие строителям куйбышевской турбины, провели ис-
следования в Ленинградском Государственном уни-
верситете и в Институте машиноведения Академии
наук СССР и сообщили, что лопасть требует увели-
чения размеров, иначе она окажется недостаточно
прочной.
С другой стороны, люди, отвечавшие за качество
отливки частей ротора турбины, утверждали на основа-
нии своих расчетов, что колесо надо уменьшать, иначе
нельзя быть уверенным, что отливка детали будет без-
укоризненного качества. А о том, что представляет со-
бою такая отливка, можно судить по следующему.
Для подготовки рабочего места, предназначенного
для формовки рабочего колеса мощной турбины, надо
вынуть примерно 500 кубических метров земли. Фор-
мовщики работают в бронированных кессонах, гермети-
чески закрытых камерах, глубиною более 6 метров.
Чтобы отливка при очень большой высоте обладала
требуемой плотностью, одинаковой везде, литье произ-
водится при помощи многоэтажной системы отверстий
в литейной форме, через которые заливается расплав-
ленный металл. «Этажи» этой литниковой системы
221
включаются последовательно — сначала нижние, пото^м
расположенные выше.
Как же надо было примирить все заключения спе-
циалистов разных областей, чтобы решение пошло на
пользу турбине? Одна за другой появляются в гидротех-
нической лаборатории Металлического завода имени
И. В. Сталина модели куйбышевской турбины. Снова
и снова проверяются на них расчеты. И вот упорный
творческий труд получил законную награду — исследо-
вания указали путь к успеху. Турбина получилась наи-
меньших размеров, возможных при ее колоссальной
мощности.
КУЙБЫШЕВ — МОСКВА
Легко умещаясь на ладони, лежит маленький оваль-
ный фонарик. На его алюминиевом рычаге, выступаю-
щем сбоку, написано только одно слово — «Электроси-
ла». Знаменитый ленинградский завод выпускает и кро-
шечные динамки мощностью в 0,0003 киловатта и гран-
диозные генераторы в 300 миллионов раз мощнее элек-
трической машины для ручного фонаря — свыше
100 тысяч киловатт и больше.
Мощности в 100 тысяч киловатт достаточно, чтобы
одновременно питать 2 миллиона электрических ламп
по 50 ватт, или давать ток нескольким десяткам боль-
ших заводов, или добыть в сутки около 40 тысяч тонн
угля.
Между гигантом мощностью свыше 100 тысяч кило-
ватт и генератором для карманного фонаря как будто
непроходимая пропасть. Но в действительности крошеч-
ная машина, выпускаемая «Электросилой», может слу-
жить отличной моделью, показывающей, на чем осно-
вана работа любого генератора переменного тока.
Очень сильный постоянный магнит, величиною всего
с монету в пять копеек, окружен железными катушка-
ми, обмотанными проволокой. Стоит нажать пальцами
алюминиевый рычаг, выступающий из корпуса фона-
рика, — и магнит приходит в быстрое вращение. «Элек-
тростанция» заработала, и единственный потребитель,
лампочка в одну свечу, получает ток.
Вода, ветер, двигатель внутреннего сгорания — лю-
222
бой источник механической энергии для получения
электрического тока должен вращать подвижную часть
генератора, ротор, подобно тому, как рука вращает ро-
тор фонарного генератора. Это движение требуется
основным правилом превращения механической энер-
гии в электрическую: обмотки машины должны непре-
рывно обдаваться волнами магнитного поля, то набе-
гающими на них, то сбегающими благодаря вращению
ротора среди неподвижных катушек проволоки.
Моделирование мощных генераторов — одна из
труднейших задач. Нет всеобъемлющих моделей, кото-
рые позволяют исследователям сразу изучать все про-
цессы, происходящие в натуре. Точнейшие модели стро-
ятся, например, только для воспроизведения условий
трения в гигантской машине или для наблюдений пове-
дения песчинок, увлекаемых водою. Чем больше явле-
ний действуют в модели одновременно, тем сложнее
она, тем труднее ее создать.
Модель, включающая турбину, генератор, длинную
линию передачи электроэнергии и потребителей этой
энергии, имитирующая энергосистему в динамике, в ра-
боте, раньше считалась неосуществимой. Некоторые
ученые после неудачных попыток заявили, что подоб-
ную модель получить труднее, чем создать «гибрид»
лошади и реактивного самолета. Так различна скорость
протекания процессов в отдельных частях системы, так
сложно объединить в компактной небольшой по разме-
рам модели огромное число деталей, участвующих
в физических явлениях при передаче энергии по очень
длинной линии.
В Москве труднейшую задачу удалось решить про-
фессорам В. А. Веникову, Т. Л. Золотареву и кандида-
ту технических наук А. В. Иванову-Смоленскому. Они
построили динамическую модель, на которой изучали,
как передавать электроэнергию из Куйбышева в Мо-
скву.
Эта модель — одна из первых лабораторных уста-
новок, помогавших инженерам, проектировавшим и со-
здававшим энергосистему Куйбышев — Москва. Над
подобной проблемой работали в Ленинграде М. П. Ко-
стенко и его сотрудники. Трудились над ней и ученые
223
в других институтах и лабо-
раториях, например в Вод-
ноэнергетическом институте
Академии наук Армянской
ССР.
Разные исследователи
шли своими путями, по цель
у всех одна. В. А. Веников,
под руководством которого
в Москве создана «живая
модель» энергосистемы, мно-
го лет занимается исследова-
ниями моделей электриче-
ских машин.
Пленив огромную мощь
Волги и превратив ее в элек-
тричество, строители выпол-
нили главное. Дальнейшее
как будто уже несложно:
передать полученную энер-
гию по проводам. Но как пе-
Динамическая модель системы
Куйбышев — Москва:
/—«река», 2 —«турбина», 3 — «генератор»,
4 —катушки проволоки, 5 — конденсаторы,
6 — модель нагрузки.
224
на на-
редать из Куйбышева в Мо-
скву на расстояние почти
в 1 000 километров свыше
миллиона киловатт? Как пе-
редать энергию из Сталин-
града в Москву на расстоя-
ние свыше 1 000 километ-
ров?
Далеко не все в передаче
энергии на сверхдальние
расстояния подчиняется тео-
рии, предварительному рас-
линиях,
весьма
чету. Опыты на
конечно, дали бы
важные результаты. Однако
производить опыты
стоящей линии, питающей
целые города, невозможно,
да и не было линий с напря-
жением в 400 тысяч вольт.
Моделирование заменило
опыты на линиях, помогло
уничтожить «белые пятна» в
теории передачи энергии.
О том, как сложно пере-
дать куйбышевскую энер-
15 Тайны моделей
225
гию в Москву, свидетельствуют расчеты, произведенные
несколько лет назад. Оказалось, что из-за потерь в ли-
нии энергия в Москве может стоить в три раза доро-
же, чем в Куйбышеве.
При очень высоких электрических напряжениях воз-
дух между проводами теряет свои изоляционные свой-
ства. Происходит так называемый «тихий разряд»,
и вокруг проводов появляется свечение. Светящиеся
языки ночью несколько напоминают зубцы древней
короны, и поэтому тихий разряд получил название
электрической короны.
Потери на корону должны были бы обойтись в та-
кую громадную сумму, что борьба с короной стала
одной из главнейших задач проектировщиков гигант-
ской линии, рассчитанной на 400 тысяч вольт.
Первоначально предусматривалось построить не-
сколько параллельных цепей, тянущихся от Куйбыше-
ва до Москвы. Однако исследования различных вари-
антов показали, что лучше всего соорудить линию, со-
стоящую только из двух параллельных цепей. Ведь
в каждой параллельной цепи при уменьшении полезной
нагрузки будут весьма тяжело сказываться потери на
«зарядку» проводов, на «корону».
Потери на корону сильно уменьшаются, если для
каждой фазы подвесить не один провод, а три. Два
провода располагаются на одной горизонтальной ли-
нии, а третий — внизу. Образуется треугольник из про-
водов, влияющих при этом друг на друга так, что по-
явление короны затрудняется.
Эта мера — только часть целой группы усовершен-
ствований, примененных на линии Куйбышев — Мо-
сква для увеличения пропускной способности электри-
ческой «магистральной дороги».
Пропускная способность длинной линии увеличи-
вается, если уменьшить ее сопротивление всех видов,
точно так же как увеличивается пропуск воды в широ-
кой трубе с гладкими стенками. На линии Куйбышев —
Москва сопротивление уменьшается последовательным
включением в провода огромных конденсаторов.
Переменный ток сверхвысокого напряжения —
весьма капризный путешественник, и чтобы потери
226
в линии были наименьшими, току должна быть обес-
печена наилучшая дорога. Много моделей провода бы-
ло задумано, вычерчено и исследовано, прежде чем за-
водские машины начали изготовлять его.
Человека, впервые знакомящегося с динамической
моделью энергосистемы Куйбышев — Москва, охваты-
вает сомнение. Не верит он в глубине души, что резуль-
таты опытов в лаборатории можно смело перенести на
грандиозную линию. Между тем все теоретические рас-
суждения, все вычисления строителей модели строги
и безошибочны, как и работы инженеров, строящих на-
стоящие линии.
Законы моделирования позволили уменьшить на-
пряжение лабораторной линии в 1 000 раз, а мощ-
ность— в 100 тысяч раз. Турбина поэтому совсем ма-
ленькая. Механическое подобие двигателей в данном
случае не играет роли, и турбина-модель гораздо бы-
строходнее куйбышевской.
Очень невелика и модель-генератор электриче-
ского тока, но сколько хлопот доставила она и проек-
тировщикам, и конструкторам, и рабочим завода
«Электросила»! Построить ее было так же трудно, как
очень мощную машину совершенно нового типа.
Электрическая установка требует особого внимания
к моделированию тепловых процессов: нагревание ма-
шин и аппаратов должно быть подобным в моделях
и в натуре.
Размер электрической машины и ее нагрузка всегда
неразрывно связаны с нагреванием частей, несущих эту
нагрузку. Например, турбогенератор мощностью 100 ты-
сяч киловатт во время работы нагревается так, что это-
го тепла хватило бы для отопления многоэтажного до-
ма. Чтобы не пострадали обмотки машины, отличаю-
щейся весьма небольшими по сравнению с мощностью
размерами, тепло приходится усиленно отводить. Ма-
шина, весящая всего 250 тонн, обдувается за час
220 тоннами воздуха.
Мощность модели генератора должна быть значи-
тельно больше, чем нужно для ее нагрузки. Если гене-
ратор-модель нагрузить в процентном отношении так
же, как нагружается куйбышевский генератор, нагре-
15*
227
вание и другие вредные явления в модели будут про-
текать совсем не подобно тем же явлениям в машине
мощностью свыше 100 тысяч киловатт. Поэтому гене-
ратор-модель работает, так сказать, с «прохладцей»,
с большим запасом мощности. Ему не страшно даже
короткое замыкание.
Слово «модель» обычно вызывает мысль о внешнем
сходстве с оригиналом, о геометрическом подобии ему.
У генераторов, отличающихся по мощности в 100 тысяч
раз, это подобие недостижимо. Прежде всего замеча-
ешь, что генератор работает в горизонтальном поло-
жении, а на Куйбышевской ГЭС все генераторы будут
установлены вертикально.
Кроме того, электрическая машина в лаборатории
института обросла деталями, которых нет ни у одного
обычного генератора. Вот, например, набор металличе-
ских дисков, сидящих на валу генератора. Они искус-
ственно создают подобие тех самых механических
усилий, которые будут возникать у куйбышевского гид-
рогенератора, когда придет в движение вся огромная
масса стали и проводов, вращаемая турбиной. Меняя
число дисков, можно изменять и величину усилий на
валу машины.
За дисками расположена совсем маленькая маши-
на постоянного тока. Роль ее огромна. Чтобы генератор
давал ток, в обмотки его подвижной детали, ротора, не-
обходимо посылать постоянный ток, превратить ротор
во вращающийся магнит. Эта маленькая машина на-
зывается возбудителем, и от ее поведения во многом за-
висит качество работы генератора.
У машины-модели, в сущности, только часть воз-
будителя, и при этом меньшая. Аппараты и приборы,
наблюдающие за его деятельностью, больше его по
размерам раза в два, и в лаборатории их много — для
выбора лучших.
На самом конце вала за возбудителем помещена
еще машина: эта уже совсем лилипут. Она является
своего рода «посредником» между данным генератором
и другими, работающими на общую линию, так как
все генераторы, посылающие ток в одни провода,
должны «впрягаться в общую упряжку», обладая оди-
228
наковой скоростью, как механической, так и электри-
ческой.
Иначе: как хороший конь тащит не только груз,
но и более ленивую или слабую лошадь, так одна ма-
шина потащит другие. Такое несоответствие усилий
электрических машин кончается гораздо хуже, чем в
конной упряжке. Оно влечет за собою аварию, если спе-
циальные приборы и аппараты во-время не примут
необходимых мер.
Маленькая машина на конце вала генератора пока-
зывает, можно ли генератор включать вместе с други-
ми или его надо «подогнать» к ним.
В современной электротехнике генератор всегда
имеет «близнеца», как бы сросшегося с ним, — транс-
форматор, повышающий или понижающий напряжение
генератора. Свойства и особенности одного обязатель-
но согласуются со свойствами и особенностями дру-
гого, чтобы взаимное существование этих машин про-
текало в наиболее благоприятных условиях. Совмест-
ная жизнь их начинается еще с «колыбели», когда
обе машины проходят модельную стадию.
Из всех электрических машин, пожалуй, самое
сильное впечатление на не специалиста производит
мощный высоковольтный трансформатор.
В нем нет никаких признаков движения, он всегда
как будто «отдыхает» или только собирается начать
что-то делать. Он очень тих, и только провода, возне-
сенные высоко вверх, над стальным кожухом, и под-
держиваемые громадными ребристыми изолято-
рами, напоминают, что здесь происходит удиви-
тельное превращение электрического тока, подни-
мающегося «по проволочной лестнице» на много ступе-
ней вверх.
В трансформаторе, предназначенном для линии
Куйбышев—Москва, напряжение, даваемое генерато-
ром, повышается примерно в тридцать раз —
с 13 800 до 400 000—420 000 вольт.
Уже при напряжении в 220 тысяч вольт приближе-
ние к проводам, несущим его, сопровождается даже
при условии отличной изоляции от земли неприятными
явлениями. На голове поднимаются волосы, по телу
229
пробегают мурашки, и лицо ощущает своеобразное
дуновение — это дует «электрический ветер».
Ток напряжением в 400 тысяч вольт убьет на рас-
стоянии, как молния, человека, неосторожно перешед-
шего, приближаясь к проводам, за определенную чер-
ту. Какие же меры нужно принять, чтобы «искусствен-
ная гроза», таящаяся в стальной броне, не разыгра-
лась в самом трансформаторе, не разнесла бы его
обмотки и железный сердечник, на котором они распо-
ложены?
В трансформаторах нет механически двигающихся
деталей — это, в сущности, единственное облегчение
при создании его моделей. Но зато охлаждение непо-
движных обмоток, несущих очень большую мощность,
представляет труднейшую проблему. И опыты на мо-
делях трансформатора для разработки лучшей системы
охлаждения требуют много изобретательности, наход-
чивости и специальных знаний.
Трансформатор на 400 тысяч вольт нуждается в со-
вершенно уникальной модели. Модель можно умень-
шать только в определенное число раз. Если ее сделать
меньших размеров, основные испытания, производи-
мые инженерами для проверки правильности расче-
тов, — исследования короткого замыкания, холостого
хода ц т. д. — не дадут результата, соответствующего
истинному значению токов и напряжений в обмотках
гигантов, предназначенных для работы на волжских
гидроэлектростанциях.
Для выбора лучшей изоляции, лучшей марки ста-
ли, наиболее подходящей для сердечника трансфор-
матора, пронизываемого сверхмощными магнитными
полями, на Московском трансформаторном заводе бы-
ла создана модель, которую очень трудно сразу при-
знать только подобием чего-то еще более грандиоз-
ного. Диаметры катушек так велики, что в них может
стать человек высокого роста.
Над созданием этой модели много потрудились
и проектировщики, и конструкторы завода, и рабочие
цехов. Они выполнили сложную обмотку трансформа-
тора, изолировали ее, изготовляли из стальных листов
части магнитопровода, собирали и крепили детали.
230
Проблема механической прочности трансформато-
ра-гиганта представляла одну из задач, которые ре-
шались при помощи модели.
В старой сказке рассказывается о человеке, заку-
ривавшем трубку от молнии. Тусклый огонек электри-
ческого прикуривателя ничем не напоминает мощную
искру грозового разряда. Но если от письменного сто-
ла с электроприкуривателем вдоль линии передачи до-
браться до источника высокого напряжения, у ку-
рильщика, конечно, пробежал бы мороз по коже при
одной только мысли о попытке прикурить, пользуясь
непосредственной услугой трансформатора в 400 тысяч
вольт. А между тем, поднося папиросу к мирному огонь-
ку электроприкуривателя, человек связывается с цепью,
где рождаются искусственные электрические молнии.
Но волшебные «ступени» трансформаторов, расстав-
ленных на пути от сверхвысоковольтной станции до
квартиры москвича, делают совершенно безопасными
400 тысяч вольт.
На модели в Энергетическом институте тоже есть
трансформаторы, повышающие напряжение, но только
до 400 вольт, в тысячу раз меньше, чем в натуре. Од-
нако и это напряжение может быть смертельно для
человека, и предупредительные надписи напоминают
об опасности, таящейся в безобидных по внешнему
виду катушках проволоки.
За трансформаторами — новая модель, подстан-
ция, помещение, где находятся различные приборы
и аппараты, необходимые для нормальной работы
тысячекилометровой линии. Дальше следуют, пожалуй,
самые удивительные части установки — модель линии
длиною около 1 000 километров, помещающаяся в не-
большом зале, и даже модель влияния земли на про-
вода, подвешенные на опорах.
Если нет геометрического подобия между машина-
ми динамической модели, то уже совсем трудно узнать
длинную электрическую линию высокого напряжения
в ее модели. Перед вами тянутся вдоль одной из стен
в лаборатории Энергетического института несколько
десятков больших катушек и конденсаторов.
Что общего между ними и настоящими проводами,
231
подвешенными * высоко на опорах? Но каждая катуш-
ка — это огромный участок провода (20—50 километ-
ров), потому что в ней сосредоточились, «сконцентри-
ровались» свойства провода, его сопротивление дви-
жению тока, распределенное по длине.
Особенное значение при передаче переменного то-
ка имеют магнитные явления, возникающие вокруг
проводов. Ф. Энгельс писал, что электрический ток
и магнетизм — неразделимые близнецы. Магнитные
явления, распределенные вдоль длиннейшего провода,
на каждом его отрезке внешне сказываются сравни-
тельно слабо. Но стоит свернуть такой провод в ка-
тушку, и она превратится в сильнейший магнит.
Попробуйте к зияющему отверстию катушки моде-
ли линии поднести кусок железа — он будет с силой
вырван у вас из рук. Работники лаборатории всегда
снимают часы, подходя к этим катушкам: мгновенно
механизм придет в негодность. Таким образом, не-
сколько больших катушек позволяют имитировать
магнитные явления, протекающие вдоль почти тысяче-
километровой линии.
Чтобы отдельные свернутые спиралью «участки
линии» не действовали друг на друга, катушки стоят
в разных положениях: если одна обращена к зрителю
широкой стороной, то соседняя обязательно располо-
жена торцом.
Как ни высоко подняты провода над землей на опо-
рах, но и через воздух земля влияет на ток, распро-
страняющийся по проводам. Получается как бы огром-
ный конденсатор, одной обкладкой которого является
провод, а другой земля. Поэтому влияние земли на
провод модели Куйбышев — Москва имитируется мно-
жеством сравнительно небольших конденсаторов, при-
соединенных к катушкам.
Кроме этих маленьких конденсаторов, сразу бро-
саются в глаза большие «копилки» электричества,
включенные последовательно с катушками. Правиль-
ный подбор конденсаторов — одна из важнейших за-
дач конструкторов грандиозной линии Куйбышев —
Москва. Благодаря ему удастся компенсировать до
30—40 процентов вредного влияния магнитных явле-
232
ний вокруг провода на распространение электрической
энергии.
То увеличивая, то уменьшая количество «электри-
ческих копилок», включенных последовательно с ка-
тушками, исследователи модели линии день за днем
изучали, как будет вести себя настоящая линия, снаб-
женная подобными конденсаторами, в тысячи раз боль-
шими и по размерам и по емкости.
Было время, когда главными опорными пунктами
каждого расчета являлись максимальные и минималь-
ные величины. Теперь при сверхвысоких напряжениях,
невиданных скоростях, огромных давлениях, приме-
няемых в технике, установлено, что не максимум и ми-
нимум определяют качество работы, а переходные со-
стояния, когда ход процесса еще не сделался ровным,
постоянным. Изучение переходного, неустановившего-
ся режима грандиозной линии представляло одну из
важнейших и, надо сказать, труднейших задач для
создателей модели линии Куйбышев—Москва.
В эти моменты неустойчивой работы отдельные ча-
сти огромной системы «качаются», в разные стороны,
и может даже произойти «развал» всей системы — са-
мое страшное событие в жизни любой крупной элек-
тростанции. Согласованное действие машин нару-
шится, и энергия турбин хаотически ринется совсем
не туда, куда ей назначено.
Генератор переменного тока без своего возбуди-
теля — мертвая машина. Малейшие изменения элек-
трического напряжения возбудителя сейчас же сказы-
ваются на генераторе. Поэтому роль возбудителя
в период неустацовившегося режима особенно велика.
Много научных организаций испытывало на модели
системы Куйбышев—Москва установки, обеспечиваю-
щие правильную работу возбудителя и дающие ему
возможность справиться со своей задачей в те труд-
ные мгновения, когда система начинает «капризни-
чать».
На модели испытывалось несколько регуляторов
возбудителя, сконструированных работниками разных
лабораторий. Работа этих аппаратов тщательно иссле-
довалась во всевозможных условиях, результаты срав-
233
нивались, и регулятор лучшего типа действует теперь
на линии Куйбышев—Москва.
Вместе с деталями, созданными специально для
модели, тут же исследовались механизмы и приборы
уже «настоящие», которые в точно таком же виде уста-
новлены на магистрали. Например, защита линии от
аварии, вызываемой короткими замыканиями прово-
дов, обрывом их.
Значение линии Куйбышев—Москва так велико, что
ее работа не может зависеть от каких-либо случайно-
стей. От Куйбышева до Москвы тянутся две одинако-
вые параллельные линии, и если на одной из них слу-
чится повреждение, аварийный участок должен сей-
час же выключиться, и ток обойдет поврежденное
место по другой линии. Дальше линии опять «разой-
дутся».
Чтобы наладить автоматическую работу этих пере-
ключений линии, находящейся под напряжением
в 400 тысяч вольт, требовалось создать два основных
органа: один очень чувствительный и быстродействую-
щий, а другой, подчиняющийся первому, мощный, спо-
собный выполнить все необходимые механические опе-
рации.
«Мозг» защиты линии на модели виден сквозь про-
зрачные пластмассовые стенки небольшого ящика. Над
его созданием работали лучшие электротехнические
лаборатории Союза.
Внешне все это выглядит очень малоэффектно.
Тесными рядами на вертикально поставленной доске
укреплены маленькие электромагниты — реле. Они
очень чувствительны, и чуть что случится — мгновен-
но тянут свой якорь. Этим они напоминают морские
существа, осторожно вытягивающие щупальца и с мол-
ниеносной быстротой прячущие их, если появилась
опасность.
Отзываясь на все изменения, происходящие в элек-
трической линии, реле защиты передают соответствую-
щий приказ мощным механизмам, которые производят
необходимые переключения. Реле работают с огромной
быстротой — сотой доли секунды достаточно, чтобы
они подняли тревогу. А все переключение вместе с ра-
234
богой защиты, выключателей мощной электрической
дуги,^требует лишь 0,1 секунды.
Для испытания действия защитной аппаратуры на
модели в день воспроизводились 40—50 аварий — ко-
ротких -замыканий, обрывов, «развалов системы». Бла-
годаря этому удалось найти найлучшую конструкцию
защитной аппаратуры и произвести исследование то-
ков коротких замыканий — аварийного режима, зна-
ние которого так же необходимо электрикам, как мо-
рякам важно знать свойства корабля, определяющие
его способность держаться на воде во время той или
другой аварии, во время бури.
Вот подан «приказ по модели»: пустить турбины,
включить генератор в систему. На пультах управле-
ния— точно таких, какие применяются на электро-
станциях, — вспыхивают сигнальные лампы, щелкают
выключатели. Десятки приборов, насторожившись,
следят за поведением всей системы: сейчас должно
произойти включение «Куйбышева» в цепь «Москвы».
Москва, впрочем, в данном случае настоящая, так как
подключение генератора модели производится к сети,
питающей столицу.
Пусть линия-модель составлена только из сравни-
тельно небольших катушек проводов и конденсаторов,
пусть мощности генератора и турбины недостаточно
даже для питания одной мастерской — исследователи
здесь видят настоящую линию с проводами, уходящи-
ми в бесконечную даль. Стрелки приборов своими
бросками и покачиваниями в ту или другую сто-
рону отражают все происходящее в системе: маши-
нах, линии, двигателях — потребителях электроэнер-
гии.
Поворотом ключей на пультах вызываются и лик-
видируются аварии. Мгновенный неуловимый нашим
глазом ход того или другого электрического процесса
запечатлевается электрическим глазом на светочув-
ствительной бумаге, движущейся в специальном аппа-
рате.
То уменьшая, то увеличивая мощность, на модели
можно изучать какой угодно переходный процесс. Мо-
дель позволяет наблюдать за настоящей жизнью всей
235
грандиозной системы, исследовать ее в работе, в дина-
мическом состоянии.
Московский энергетический институт, готовящий
инженеров-энергетиков для всего Союза, славится
многими своими лабораториями. Одна из них, провед-
шая исследования системы Куйбышев — Москва, не-
мало сделала для решения труднейших .вопросов, свя-
занных с передачею большого количества энергии на
громадные расстояния.
ПОМОЩИ И ки ИССЛ ЕДОВАТЕЛ ЕЙ
«МАШИНА БУДУЩЕГО»
ороший инженер всегда правильно
сочетает два основных способа рабо-
ты — теорию и эксперимент. В одних
случаях он главным образом основы-
вается на теоретических расчетах,
в других — на опыте. Академик
А. Н. Крылов приводит замечатель-
ный пример работы инженера, совер-
шенно не знавшего теории. Он и не
мог пользоваться ею, так как абсо-
лютно не знал элементарной математики. Это был
П. А. Титов, строивший громадные броненосцы.
Современный инженер уже не может так работать,
потому что техника усложнилась. Однако и теперь
многое приходится определять только опытным путем,
прибегая к экспериментам с конструкциями, сделанны-
ми в малом масштабе.
Чем сложнее среда, где происходит то или другое
явление, тем важнее правильно определить значение
эксперимента. Грунт, бетон, дерево — все это материа-
лы, с которыми строители имеют дело уже очень дав-
но. Но точных методов расчета прочности конструкций
из них нет до сих пор. Тут приходится «страховаться»
запасом прочности. Но запас прочности, размер кото-
рого определяется нашим «коэффициентом незна-
ния», — это утяжеление конструкций, замедление
стройки.
237
Поэтому создание любых установок, уменьшающих
«коэффициент незнания», — большой шаг вперед. Сю-
да, безусловно, относится аппаратура, позволяющая
строителю «заглядывать в будущее», видеть то, что
произойдет с плотиной, зданием или иным сооружени-
ем через несколько месяцев, даже через несколько лет.
Подобные чудесные машины уже есть и успешно рабо-
тают, особенно помогая при исследованиях грунтов, ко-
торые должны выдерживать огромные тяжести.
При переноске людьми тяжелого длинного рельса
каждый несет далеко не одинаковую тяжесть. Это за-
висит и от роста человека и от грунта, по которому он
идет. Если часть людей, несущих рельс; идет по твер-
дой дороге, а другая — по рыхлому песку, тяжесть, па-
дающая на плечи каждого, будет разная.
Нечто подобное получается и с частичками грунта,
на котором строятся плотина, гидростанция. Некото-
рым частицам достается слишком большая доля груза,
и они сдвигаются с места особенно сильно. .
Площадке строительства и подстилающие ее слои
не могут быть совершенно однородными на всем про-
тяжении, и одни частицы под действием тяжести, да-
вящей на них, проваливаются глубже, чем другие. Ес-
ли тяжесть не превосходит известного предела, частич-
ка все же справляется со своей ношей. Нагруженная,
она сдвигается, но при сбрасывании груза возвращает-
ся на место.
В грунте, представляющем собою собрание неисчи-
слимого количества таких частичек, при их различных
сдвигах с места происходят изменения формы грунта—
деформации. Они носят название упругих, если исче-
зают, лишь только исчезает сила, вызвавшая дефор-
мацию.
Резиновый шарик, сдавленный рукой, снова де-
лается круглым, когда пальцы разжимаются. Согну-
тая стальная пластинка выпрямляется, лишь только
ее освобождают. Но пластинку можно согнуть с такой
силой, что она уже не распрямится полностью. Усилия,
производящие подобные деформации, опасны для пла-
стинки. Опасно превосходить предел допустимой на-
грузки и для грунта.
238
При повышении нагрузки дальше некоторого крити-
ческого предела грунт теряет свою упругость, и его
деформация растет и растет, хотя величина нагрузки
больше и не повышается. Затем происходит массовое
смещение земли и сооружение теряет устойчивость.
Таким образом, путь грунта к катастрофическому
разрушению долог и сложен. На практике неупругие
деформации в слоях земли, подстилающих сооружение,
длятся годы, десятки лет, а порою и столетия.
Древние крепости, мосты, башни иногда являют-
ся «живыми экспонатами», показывающими, как на-
чавшееся смещение грунта вместе с сооружением
потом почему-то прекратилось и привело только
к головокружительному крену стен старинного здания.
Ярким примером этого является знаменитая пизанская
башня в Италии, «падающая башня».
Изучение грунтов отличается особенной слож-
ностью вследствие их неоднородности. Чистая вода или
воздух по сравнению с грунтом значительно удобнее
для исследования явлений, происходящих в них: они
одинаковы во всем объеме. Грунт же почти всегда со-
стоит из слоев разной твердости, обладающих разной
пористостью. Прочность его в огромной степени зави-
сит от воды, находящейся в глубине и на поверхности
земли.
Модели для исследования грунтов помогают полу-
чить ответ на вопрос, как будут действовать друг на
друга отдельные частицы почвы при давлении на них
больших тяжестей, при уплотнении искусственными
способами. В очень многих случаях только модель по-
зволяет узнать, как будет вести себя грунт, на котором
возводится ответственнейшее сооружение. Пионером
исследования грунта на моделях был Н. Е. Жуковский.
До начала строительства водопровода, снабжавшего
Москву из Мытищ, надо было установить, сколько во-
ды могут дать мытищинские источники. Жуковский
сделал модели, на которых он изучил все процессы
движения воды в грунте, подобном мытищинскому.
В результате были получены расчетные данные, позво-
лявшие судить о мощности потока воды, который мо-
гли дать Москве источники в Мытищах.
239
Исследование моделей, показывающих осадку фун-
даментов вследствие сжатия почвы под тяжестью зда-
ния,. впервые ввел в науку профессор Минаев. Это
было в 1915 году. С тех пор моделирование грунта
в СССР поднялось на гораздо более высокую ступень.
Советские ученые и инженеры разработали такие ме-
тоды испытания моделей, которые быстро дают ответ
на задачи, еще недавно считавшиеся совершенно не-
разрешимыми.
Исследователи моделей, стремящиеся проверить,
достаточно ли надежно естественное основание, на-
гружаемое массой бетона, камнями, сталью, с самого
начала наталкиваются на затруднение: испытания
грунта требуют очень много времени.
Вторая трудность заключается в том, что сила тя-
жести на моделях и в натуре действует по-разному.
Слой грунта толщиной в 10 метров на каждый санти-
метр оказывает давление в 2 килограмма. В модели,
уменьшенной в 100 раз, давление этого же грунта на
квадратный сантиметр будет равно 20 граммам. Гео-
метрическое подобие модели и натуры в данном слу-
чае мы можем соблюсти очень точно, но физического
подобия здесь не будет, так как свойства грунта сильно
меняются от давления, которому он подвергается.
Тщательнейшее испытание на модели не дает от-
вета на вопрос, выдержит ли тот же самый грунт на-
стоящее сооружение, огромная тяжесть которого ко-
ренным образом меняет все качества естественного
основания.
Значит, грунт в модели надо подвергать какой-то
добавочной нагрузке, чтобы явления, происходящие во
время экспериментов, были подобны совершающимся
в натуре.
Для механического подобия модели и настоящей
опоры линии электропередачи у них должны быть рав-
ны произведения ускорения силы тяжести на высоту
опоры, если модель и натура сделаны из одинакового
материала. Ускорение силы тяжести не меняется. Зна-
чит, для соблюдения условия подобия требуется, чтобы
модель и настоящая опора имели одинаковые разме-
ры. В примерно таком же положении оказывается и
24Э
модель сооружения, давящая на грунт. Чтобы соблю-
сти условия подобия модели многоэтажного дома и
настоящего здания, надо построить модель таких же
размеров, как дом!
Но силу тяжести можно изменить искусственно—•
точнее, можно имитировать увеличение этой силы, до-
бавляя к ней действие других сил, действующих
в том же направлении, в котором нормально дейст-
вует сила тяжести.
Двадцать пять лет назад профессор Н. Н. Давиден-
ков решил при моделировании использовать силы, раз-
вивающиеся при внезапном торможении падающего
тела. Модель сооружения помещалась в ящик с грун-
том, и все это в особом станке падало с большой высо-
ты. Недалеко от пола ящик тормозился пружинами и
сразу останавливался.
Модель во время падения проходила довольно боль-
шой путь, а участок торможения был короче его при-
мерно в 100 раз. Так как на этом коротком пути дол-
жна была погаситься вся энергия, развивавшаяся во
время падения ящика, то силы, возникающие в грунте
в момент торможения, должны в 100 раз превышать
силу веса. Модель, грунт — все в этой модели вдруг
становилось в 100 раз тяжелее, и миниатюрное соору-
жение давило на землю с неменьшей нагрузкой, чем
та, которой подвергались частицы грунта в натуре, в
100 раз большей, чем модель. Если модель выдержи-
вала подобное суровое испытание, Давиденков с уве-
ренностью говорил: сооружение не рухнет.
Метод Давиденкова, однако, имеет весьма суще-
ственный недостаток. В таких испытаниях исключено
время — нагрузка на грунт действует в модели только
один миг. А ведь грунт борется с силами, стремящи-
мися разрушить его, очень долго, и если он выдержал
мгновенное испытание, еще нельзя быть уверенным,
что он не сдаст через некоторый неопределенный
срок.
Давиденков в своих ящиках, падавших и внезапно
останавливавшихся, использовал силу инерции, дей-
ствовавшую на коротком пути торможения. Но эту же
силу, величина которой изменяется в любых необходи-
16 Тайны моделей
241
мых пределах, можно заставить работать как угодно
долго.
Если какое-нибудь тело вращать вокруг неподвиж-
ной точки, оно под влиянием центробежной силы будет
стремиться оторваться от оси и полететь по прямой.
Центробежные силы увеличиваются пропорционально
квадрату скорости вращения. Такой быстрый рост
инерции дает возможность нагружать вращаемое тело
подобно тому, как Н. Н. Давиденков нагружал модель,
резко тормозившуюся во время ее падения.
В 1932 году Н. Н. Давиденков в Ленинграде и про-
фессор Г. И. Покровский в Москве независимо друг
от друга одновременно предложили метод испытания
моделей при помощи центрифуги — машины, разви-
вающей большие центробежные усилия, действующие
на тела, помещенные на концах вращающейся оси.
Проект профессора Г. И. Покровского с большим
успехом был реализован и быстро стал давать ре-
зультаты, чрезвычайно ценные для практики.
Модель, которую надо испытать, помещают в очень
прочную каретку, вращающуюся вокруг вертикальной
оси центрифуги. Меняя скорость вращения каретки,
модель, находящуюся в ней, можно нагружать как
угодно и при этом очень точно регулировать нагрузку.
Чтобы улавливать все изменения, происходящие в мо-
дели во время испытания, центрифуга снабжается ки-
ноаппаратом, автоматически ведущим съемку.
Испытания на центрифуге можно продолжать как
угодно долго, но это оказывается совершенно ненуж-
ным. Эта замечательная машина служит не только уве-
личителем нагрузок, но и ускорителем времени.
Исследования показали, что точность центробеж-
ного моделирования зависит от расстояния от оси вра-
щения, на котором помещается исследуемая модель.
В идеале размеры модели по сравнению с этим рас-
стоянием должны быть ничтожны. Только при этом на-
правление сил, действующих на модель и на настоя-
щее сооружение, будет точно совпадать. Ведь настоя-
щее сооружение, находящееся на поверхности Земли,
ничтожно мало по сравнению с расстоянием до центра
Земли!
242
Центрифуга для испытания моделей.
Строить маленькую модель и очень большую цен-
трифугу — вот первый выход. Но это далеко не так
просто. Проект машины диаметром в 10 метров до сих
пор не осуществлен: громоздкая центрифуга слишком
дорога и опасна в эксплуатации. Нельзя и очень умень-
шать размеры модели: ухудшается точность изготовле-
ния деталей, на очень маленьких моделях трудно про-
изводить сложные измерения различных величин.
Центрифуги, построенные в разных городах Союза,
имеют радиус до 2,5 метра. У них каретки для поме-
щения моделей располагаются на двух концах вращаю-
щейся горизонтальной оси. Это очень удобно, потому
что позволяет дублировать опыт, производя его при со-
вершенно одинаковых условиях, либо в одной из ка-
реток менять что-нибудь.
Центрифуга — мощная машина. Мотор для нее тре-
буется до 100 лошадиных сил. При больших скоростях
вращения и сравнительно длинных радиусах возмож-
ны отрывы' различных деталей, летящих в стороны со
скоростью пули. Поэтому центрифуга защищается кир-
пичной стенкой, прикрытой мелкой проволочной сеткой,
или помещается в стальной башне.
Особенно удобны центрифуги, устанавливаемые
в специальных углублениях в полу. Это позволяет элек-
тродвигатель укреплять на отдельном фундаменте, и
его вибрации не передаются центрифуге.
16*
243
Важнейшие явления, которые могут так или иначе
повлиять на целость сооружения, в модели протекают
чрезвычайно быстро. Чтобы понять, отчего так полу-
чается, надо разобраться в том, что происходит в грун-
те под настоящим зданием и при испытании моделей.
Изучение твердого стока «реки», песка, гальки на
моделях по необходимости идет при искажении мас-
штабов частиц, образующих наносы и вместе с водою
действующих на гидротехнические сооружения. В цен-
трифуге грунт и модели из него выполняются из нату-
ральных частиц, нисколько не уменьшенных.
Безусловна, здесь нарушается подобие между мо-
делью и натурой, но это нарушение очень полезно. Оно
резко ускоряет скорость деформации, позволяя иссле-
дователям заглянуть вглубь далеких времен и узнать
судьбу изучаемого сооружения.
Разрушение основания любого сооружения начи-
нается с постепенного выдавливания воды из грунта.
Земля сжимается, неравномерно передвигается в раз-
ных направлениях, сползает. То же самое должно про-
исходить и с грунтом при испытании модели.
Допустим, в модели, уменьшенной в 100 раз, мы
пользуемся песчинками с диаметром в 0,5 миллиметра.
Значит, в натуре, где все больше в 100 раз, эти пес-
чинки должны соответствовать увесистым камням с диа-
метром в 5 сантиметров. Но в настоящей реке те же
самые песчинки, а не камни. Чем же компенсируется
такое нарушение подобия между моделью и натурой?
Огромным изменением времени, в течение которого
идет процесс в модели и в натуре.
Если модель уменьшена в 100 раз, то вода, выдав-
ливаемая из грунта при вращении модели в центрифу-
ге, должна будет пройти, покидая грунт, например, не
10 метров, а только 10 сантиметров. Сопротивление,
оказываемое землей воде, пронизывающей ее, умень-
шится тоже в 100 раз. Следовательно, в 100 раз по сра-
внению с натурой возрастет и скорость движения воды.
Итак, в модели, вращаемой в центрифуге, путь во-
ды, выдавливаемой из грунта, в 100 раз короче, а ско-
рость движения жидкости в 100 раз выше. Значит, весь
процесс удаления воды и связанного с ним поврежде-
244
нея грунта убыстряется в 1002, то-есть в 10 тысяч раз.
Двадцатичетырехчасовое испытание центрифугой пре-
вращается в 10 тысяч суток, точнее в 27 лет и 4 ме-
сяца.
Одна из запроектированных волжских плотин ис-
следовалась на 300 лет вперед! Ученые смогли точно
ответить, какая осадка получится у плотины через три
столетия после начала эксплуатации этого сооружения.
У Г. Уэллса есть роман «Машина времени». Чело-
век, управляющий ею, по воле романиста переносится
в далекое будущее. Центрифуга еще недавно показа-
лась бы совершенно фантастической машиной: как
можно узнать, что будет с сооружением через 50—
100 лет, в каких местах у него скажутся дефекты? А те-
перь любой исследователь с уверенностью ответит на
этот вопрос, пустив в ход центрифугу.
В. И. Ленин писал: «Чудесное пророчество есть
сказка. Но научное пророчество есть факт». Испытания
моделей при помощи центробежных машин позволяют
исследователям делать подобные пророчества, вполне
обоснованные научно.
Масштаб центробежного моделирования зависит
от расстояния модели до оси вращения и от числа обо-
ротов этой оси. Таким образом, масштаб моделирова-
ния, а значит, и масштаб времени можно легко менять,
изменяя число оборотов двигателя, вращающего ось
центрифуги. В центрифугу профессора Покровского по-
верили не сразу. Некоторые ученые и инженеры с иро-
нией говорили: «Предсказывать то, что случится через
столетия, легче всего. Попробуйте проверьте правиль-
ность предсказаний! Гораздо труднее с уверенностью
сказать, что будет через год-два с сооружением, моде-
ли которого при испытании на центрифуге дали яко-
бы самые обнадеживающие результаты».
Но практика быстро доказала правильность идей
профессора Покровского и огромную ценность его ма-
шины. Там, где никакой другой способ не годился, ис-
пытание на центрифуге убеждало в достаточной проч-
ности железнодорожного полотна, плотины, здания.
Вот как рассказывает об этом в одной из своих работ
профессор Покровский:
245
«На одном ответственном строительстве оказалось
необходимым вблизи откоса холма, по которому прохо-
дит важная железнодорожная магистраль, вырыть глу-
бокий котлован для закладки фундамента. Обычные
вполне точные расчеты показали, что возможен опол-
зень и разрушение железнодорожного полотна. В свя-
зи с этим возникла даже мысль о переносе железнодо-
рожного пути. Однако это было чрезвычайно дорого и
трудно сделать.
Поведение модели откоса и котлована проверили
на центрифуге. Опыт показал, что за время строитель-
ства — пока котлован не засыпан — катастрофа не
успеет наступить. Решено было выполнить работы без
переноса железнодорожных путей. Некоторые специа-
листы скептически и мрачно говорили: «Если не рух-
нуло сегодня, то рухнет завтра — берегитесь». Но их
предсказания не оправдались. Сооружение построено
и стоит уже более десяти лет...»
Пользуясь центрифугой, инженер может опреде-
лять устойчивость гидротехнических сооружений на
сдвиг, может моделировать самые разнообразные фи-
зические явления — удар, взрыв, движение воды в поч-
ве, горное давление, напряжение в оболочках тон-
нелей.
Если нужно моделировать взрыв без центробежной
машины, необходимо изменить материал, на который
действует взрывчатое вещество, иначе нельзя добиться
подобия скоростей у модели и в натуре. Между тем,
моделируя взрыв, важно пользоваться и тем же мате-
риалом и тем же взрывчатым веществом, что и в нату-
ре, конечно, в соответственно уменьшенном масштабе.
Для исследования воронки при взрыве грунт и
взрывчатое вещество помещают в центробежную ма-
шину, развивающую центробежное ускорение, которое
настолько же больше нормального ускорения силы тя-
жести, насколько натура больше модели. Только тогда
моделирование отразит сложный эффект взрыва, при
котором за время порядка 0,001 секунды в грунте воз-
никает огромное давление взрывной волны.
Решая проблемы снабжения водою засушливых
районов, гидротехники сталкиваются с очень трудной
246
задачей: как будут вымываться из грунта соли? Не
произойдет ли опасное осолонение некоторых участ-
ков?
Помещая образцы исследуемого грунта в центрифу-
гу, гидротехник моделирует очень сложный процесс
взаимного проникновения жидкостей, газов и твердых
частичек, образующих почву. Диффузия, как называет-
ся этот процесс, в природе длится очень долго. В ма-
шине будущего все ускоряется в тысячи и десятки ты-
сяч раз.
Медленный сдвиг плотины в этой машине можно
наблюдать ускоренным во много раз. Модель плоти-
ны — металлическая плита — кладется на утрамбован-
ную поверхность песка, насыпанного в каретку цен-
трифуги. Для наблюдения за сдвигом модели плотины
к ней прикрепляется стальная струна, соединенная
с подвижным блоком электрорегистратора сдвига.
Изменения положения модели плотины сейчас же
сказываются на стальной струне, поворачивающей по-
движной блок электрорегистратора в ту или другую
сторону. При этом блок замыкает контакты электриче-
ской цепи, и загораются сигнальные лампы. Точность
измерений сдвига — 0,1 миллиметра.
При помощи центрифуги можно получить в модели
«замороженный» рисунок распределения сил. Напря-
жения, появившиеся в материале и замороженные,
можно сохранять долгие годы, если температура в хра-
нилище не будет выше 50 градусов.
Модель изготовляется из материала, действующего
на световые лучи особым образом: при пропускании
света получается целый ряд светлых и темных полос,
соответствующих тем усилиям, которым подвергался
материал. Такие опыты, например, можно делать с ба-
келитом. Бакелитовая модель загружается в тележку
центрифуги при температуре около ПО градусов. За-
тем центрифуга пускается в ход, и каретка вместе с мо-
делью охлаждается водою до комнатной температуры.
После окончания опыта бакелитовую модель мож-
но резать на куски, и в каждом из них будут видны
«замороженные» напряжения, указывающие опасные
Места, где усилия, действующие на модель, а следова-
247
тельно, и на натуру, достигают слишком больших ве-
личин.
Каким же образом удается замораживать напря-
жения? Это легко понять, если взять бак с водою, укре-
пить в нем пружину, поставить все это в тележку цен-
трифуги и запустить электродвигатель, а затем замо-
розить воду. Растянувшаяся в воде пружина во льду
остается в напряженном состоянии, и по характеру де-
формации можно судить, каким усилиям подвергалась
пружина.
В опыте с бакелитовой моделью роль воды играет
та часть пластмассы, которая при повышении темпе-
ратуры до НО градусов размягчается и проникает
в другую чаЬть, остающуюся твердой и неизменной —
«скелет» бакелита. Этот скелет меняет свое строение
только под влиянием усилий, развивающихся при ра-
боте центрифуги. Он в данном случае играет роль
пружины. Когда бакелит — «вода» в тележке охлаж-
дается до комнатной температуры, он вновь становится
твердым и замораживает все изменения, происшедшие
в бакелитовом скелете.
Однажды на центрифугу было возложено особенно
ответственное задание. Она должна была показать,
как грунт давит на оболочку тоннеля метро. Из дистан-
ции, ведшей работы на исследуемом участке, прислали
образец грунта — тонкозернистый песок. Масштаб вы-
брали 70, и в каретку насыпали слой песка в 43 санти-
метра. В него на глубину 25,7 сантиметра зарыли
алюминиевую трубку длиною в 25,71 сантиметра.
Таким образом, были воспроизведены условия нату-
ры, уменьшенные в 70 раз: над тоннелем лежит слой
песка в 18 метров. Вес моделируемого тоннеля
в натуре был равен 173 400 килограммам, модель же
весила 0,505 килограмма. Чтобы судить о давлении
грунта на тюбинг, в модели тюбинга установили 8 ди-
намометров.
Закончив все приготовления, центрифугу пустили
в ход, и она работала 25 минут. В натуре это соответ-
ствовало 2,8 месяца. Остановив машину, исследователи
вырыли «тоннель», извлекли из него динамометры,
вскрыли их и подсчитали усилия, действующие на раз-
248
ные точки тюбингов. Опыт много раз повторялся при
разных скоростях, что давало масштаб моделирования
в 25, 35, 50 и 70.
Исследования показали, что оболочки тоннелей ме-
тро нагружаются неравномерно — сверху и снизу боль-
ше, чем с боков. Однако, соответствующим образом
подбирая материал оболочки и ее конструкцию, можно
добиться, чтобы оболочка тоннеля находилась в наи-
более благоприятных условиях и грунт давил на нее
равномерно со всех сторон.
Исследование грунтов для плотин — дело трудное.
Исследованию подвергаются главным образом мягкие
грунты — пески, глины, суглинки, носящие в гидротех-
нике название малосвязанных. На этих грунтах воз-
двигаются плотины огромной высоты и длины так, как
у нас перекрываются наиболее широкие реки: созда-
ются грандиозные водохранилища, потому что для ра-
боты мощной гидроэлектростанции требуется большой
напор воды.
Появление таких сооружений в нашей стране стало
возможным благодаря наличию у инженеров замеча-
тельных приборов и аппаратов для таких испытаний
моделей, которые полностью устраняют опасность оши-
бок и просчетов.
В лаборатории Всесоюзного научно-исследователь-
ского института водоснабжения, канализации, гидро-
технических сооружений и инженерной гидрогеологии
ведутся исследования смещения грунта.. Металлический
ящик наполняется влажным грунтом. Потом устанав-
ливается модель нижней части плотины. Модель
укрепляется на центробежной машине, и электродви-
гатель быстро раскручивает «карусель». На частицы
грунта начинают действовать силы, несоизмеримые
с весом этих ничтожных песчинок.
Монотонно жужжит двигатель, вертится коромыс-
ло с моделью, часы на стене лаборатории показывают,
как текут минуты, но в железном ящике с волжским
песком прошли уже месяцы с тех пор, как вал дви-
гателя сделал первый оборот.
Машина останавливается, и все результаты ее ра-
боты тщательно записываются в лабораторный жур-
249
нал. Может быть, через многие и многие десятилетия
потомки нынешних людей, изучая деятельность наше-
го народа, будут читать эти лабораторные журналы
и с благодарностью вспомнят тех, кто, строя громад-
ные, ответственнейшие сооружения, прилагал все свои
силы, чтобы плотины и гидростанции служили не
одному поколению.
«ДУМАЮЩИЕ» АППАРАТЫ И ПРИБОРЫ
Академик А. Н. Крылов писал: «Казалось бы, что
может быть общего между расчетом движения небес-
ных светил под действием притяжения к солнцу и ме-
жду собою и качкой корабля на волнении или между
определением так называемых вековых неравенств в
движении небесных тел и крутильными колебаниями
вала многоцилиндрового двигателя дизеля, работаю-
щего на корабельный винт или на электрогенератор.
Между тем, если написать только формулу и урав-
нение без слов, то нельзя отличить, какой из этих во-
просов решается: уравнения одни и те же».
Трудно лучше объяснить, почему гидротехник
в своих исследованиях вместо воды пользуется элек-
трическим током, а теплотехник, изучающий переход
тепла от одного тела к другому, прибегает к помощи
струйки воды или к услугам того же электричества.
Вот инженер получил задание исследовать возмож-
ность появления у самолета
флаттера — опасного механи-
ческого колебания крыла в воз-
душном потоке. Такое исследо-
вание на обычных моделях
очень сложно и требует значи-
тельного времени и высокой
квалификации исследователя.
Нужно произвести сложнейшие
опыты и вычисления. Но при
помощи электронных ламп не-
трудно создать искусственный
флаттер в виде электрических
колебаний.
Аналогия между тепло-
выми и электрическими
явлениями.
250
Крыло самолета обладает
аэродинамическими свойства-
ми, зависящими от его формы,
размеров. На крыло в полете
воздействует много сил, и оно
сопротивляется им, как может,
как обеспечивается это и кон-
струкцией и материалами, вы-
бранными строителями самоле-
та нового типа. Все это на элек-
тронной модели заменяется под-
бором соответствующих элек-
трических величин.
Причиной возбуждения
флаттера на самолете могут
быть сильный порыв ветра, вне-
запное слишком резкое откло-
нение руля. Чтобы на электрон-
ной модели создать аналогич-
Исследование рельса
на «думающей» машине.
ное тревожное состояние, «на модель подается электри-
ческий ток — электрический «порыв ветра». И если
этого начального «возмущения», как говорят радисты,
достаточно, в электронной модели возникнут колебания
тока. Приборы покажут величину размаха этих колеба-
ний и дадут возможность не только судить о их опасно-
сти, но и отыскивать средства борьбы с флаттером.
Тысячу различных вариантов нужно исследовать,
чтобы установить на модели, не будут ли грозить но-
вому самолету в воздухе грозные колебания. Инжене-
рам потребовалось бы трудиться несколько лет, чтобы
справиться с этой работой. А считающие и моделирую-
щие машины, переводя все эти 1 000 вариантов на
язык электрических явлений, дадут ответ не за не-
сколько лет, а за несколько дней.
Математику сравнивают с мельничными жернова-
ми: засыплешь пшеницу — получишь муку, засыплешь
лебеду — получишь ту же лебеду, только перемолотую.
Если предпосылка верна, значит будет дан верный
ответ. Ложное начало может лишь привести к лож-
ному выводу.
«Математическим жерновам» все равно, что пере-
251
малывать, и в этом кроется замечательная универсаль-
ность математического аппарата.
С какой поразительной быстротой некоторые люди
делают на счетах вычисления! Несколько минут — и
получен ответ. А если считать на бумаге, потребова-
лись бы часы. Обыкновенные счеты — простейшая мо-
дель «механизма», нуждающегося в максимальном
участии считающего человека. Новейшие считающие
устройства всемерно облегчают этот труд.
Машина не исправит ни малейшей ошибки, она
«идет тем курсом», который задается человеком. В кон-
це концов это только бесконечно усложненный меха-
низм счетов с их косточками. Но «косточек» в элек-
тронных машинах бесчисленное множество и зовутся
они электронами...
Нелегко достигается четкость, быстрота и универ-
сальность современных считающих и моделирующих
установок. В одной из них, например, 2 600 электрон-
ных ламп, 3 700 кристаллов и другие устройства и де-
тали. Такие машины — это уже целое сооружение,
требующее «жилплощади» в десятки и сотни квадрат-
ных метров. Этажи лабораторий занимаются иногда
только «электрическим мозгом».
Не только электричество, но и вода избавляет ис-
следователей от кропотливых вычислений. В 1951 году
профессор В. С. Лукьянов построил гидроинтегратор,
«мозгом» которого служат многочисленные сосуды раз-
ных диаметров. Гидроинтегратор дает возможность ис-
следовать и тепловые процессы, и характер движения
грунтовых вод, и вечную мерзлоту, и пески Средней
Азии. Для этого нужно только настроить гидроинте-
гратор для решения соответствующей задачи. Окру-
жающие же условия — температура, особые свойства
грунта, давление на него и т. д. — создаются измене-
ниями высоты подвижных сосудов, связанных с маши-
ной. Подъем или опускание этих сосудов меняют уров-
ни воды в трубках гидроинтегратора и играют ту же
роль, которую в электронной машине играет включение
и выключение тока в различных цепях.
Как, пользуясь гидроинтегратором, можно исследо-
вать распространение тепла в металлической пластине
252
от более нагретых частей к менее нагретым? Иначе го-
воря, как дать заключение о теплопроводности этой
пластины, изучая не распространение тепла в ней,
а движение жидкости?
В гидроинтеграторе — ценная сеть тонких трубочек,
к которым на определенных расстояниях присоедине-
ны вертикальные более широкие сосуды, наполнен-
ные тоже жидкостью, открытые сверху и называемые
пьезометрами. Жидкость, текущая по трубкам, ответ-
вляясь в пьезометры, естественно меняет в них уро-
вень. С другой стороны, и из пьезометров часть жидко-
сти попадает в трубки. Таким образом, получается
тесно связанная система, в которой пьезометры могут
служить мерой теплоемкости отдельных слоев нагре-
той пластины, то-есть количества тепла, необходимого
для нагревания в 1 градус. Высота уровня в пьезомет-
ре — мера температуры такого же слоя в металле. Те-
чение жидкости в трубках подобно переносу тепла от
одного слоя пластины к другому.
Температура внешней среды в огромной мере вли-
яет на процесс перехода тепла в пластине к более хо-
лодным частям. В гидравлической модели эта темпера-
тура имитируется сосудом, с которым соединены труб-
ки, снабженные на определенном уровне спускными
отверстиями. Чем больше вытечет воды через это спуск-
ное отверстие, тем интенсивнее идет движение жид-
кости, то-есть тем значительнее разность между тем-
пературой внешней среды и пластины.
Такая гидравлическая модель позволяет очень удоб-
но, быстро и наглядно изучать процесс перехода тепла
в пластине, меняя любые условия. Математическое ре-
шение подобной задачи невозможно. Но приборы,
фиксирующие поведе-ние жидкости в разных частях
этой «умной машины», дают верный ответ.
Они показывают, что при заданных условиях один
край изучаемой нами нагретой металлической пласти-
ны будет охлаждаться слишком быстро, другой мед-
леннее, а в центре температура будет оставаться высо-
кой дольше всего. Все это можно установить, даже не
имея в своем распоряжении «пластины». А такой «пла-
стиной» может быть, например, плоская кровля огром-
253
ного дома. Для решения задачи надо только знать ма-
териал, из которого изготовлена кровля, ее размеры и
температуру окружающего воздуха...
Как же выглядит гидроинтегратор, «думающий» и
отвечающий на заданные ему вопросы? Вид его непри-
вычному глазу кажется несколько причудливым. Как
препарированные кровеносные сосуды, на высоком
эбонитовом щите растянулись одна за другой стеклян-
ные трубки с водою, уровень в которых все время
пульсирует. «Командуют» тут напорные баки, подаю-
щие воду в трубки и меняющие в них уровень. Легкий
поворот маленького штурвального колеса вызывает
скачок «водяного давления» в любом месте. Каждое
изменение такого давления соответствует колебаниям
внешней среды.
Вот как решается задача исследования теплового
режима в стене огромного дома в зависимости от ко-
лебания годовой температуры. Изучив теоретически
свойства будущей стены (дома ведь еще не существу-
ет) и зная, какие колебания температуры будут проис-
ходить вокруг сооружения, исследователь создает на
гидроинтеграторе все требуемые условия. Он получает
подбором трубок соответствующее «тепловое сопроти-
вление», которое будет оказывать стена дома зимней
стуже или летнему зною. Остается только наблюдать
за «температурными изменениями» снаружи стен и
внутри них. Условия этой «борьбы» создаются при по-
мощи вращающихся барабанов с графиками, отра-
жающими ход температуры и других физических вели-
чин. Следуя по кривой, начерченной на бумаге бара-
бана, «щуп» управляющего механизма непрерывно пе-
редает приказания деталям гидроинтегратора: усилить
или уменьшить скорость течения жидкости, увеличить
количество ее, изменить в одном или другом пункте
уровень...
Шестнадцать лет назад профессор В. С. Лукьянов,
стараясь проникнуть в секреты схватывания бетона,
решил попытаться создать водяную модель бетонного
массива, сжимаемого тисками мороза. Уже первый
гидроинтегратор показал, что он может служить отлич-
ным помощником ученого и инженера при решении
254
труднейших задач. Но у него были и недостатки, устра-
нявшиеся год за годом.
Новый,х усовершенствованный гидроинтегратор
В. С. Лукьянова может «наблюдать» за течением воды
в руслах рек, в каналах. Он следит за жидкостью, пы-
тающейся пробраться в незримые щели под плотиной
или другим гидротехническим сооружением. Секциям
гидроинтегратора — наборам трубок с соответствую-
щими приборами — поручены самые разнообразные за-
дания, и эти секции с честью выполняют свою роль. Но
сами трубки мертвы. К действию их побуждает вдох-
новенная мысль исследователя. Чтобы решить ту или
другую задачу, В. С. Лукьянов ездит на строительства,
изучает пески, следит за тем, как жадно впитывают
они воду, наблюдает за буйными выходками рек.
Только исследовав все явления, которые должны прои-
зойти, В. С. Лукьянов задает целый ряд сложных во-
просов своему чудесному детищу — гидроинтегратору.
И «умная» водяная машина быстро и точно отве-
чает на все, о чем ее вопрошает пытливый ум инже-
нера.
Лаборатория гидравлических аналогий Института
железнодорожного строительства и проектирования, где
работает профессор В. С. Лукьянов, переросла рамки
своего первоначального назначения, о котором говорит
ее наименование. Инженеры различных специальностей
обращаются к помощи гидроинтегратора, которому
предстоит большая будущность, как всякому новому
методу, который позволяет быстро и точно познавать
сущность явлений природы.
Гидроинтегратор помогает в поисках «черного золо-
та» — нефти, «вскрывая» любой нефтеносный пласт.
Смотря на пульсирование жидкости в «артериях» ги-
дроинтегратора, геолог-нефтяник познает жизнь неф-
тяного пласта, находит наиболее дешевые и эффектив-
ные способы извлечения нефти на поверхность земли.
Температурные исследования внутри стен высотных
зданий производятся на гидроинтеграторе часа за два.
Раньше на них потребовался бы год, да и то вряд ли
удалось бы сделать все измерения, требующие заклад-
ки измерительных инструментов в толщу стен.
255
Особенно важно, что гидроинтегратор подобно дру-
гим машинам этого рода позволяет заглядывать в да-
лекое будущее, изучать процессы в сооружениях, для
которых еще не готовы даже строительные площадки.
Но какова же роль гидроинтегратора среди других
«умных» машин? Дублирует ли он, допустим, электрон-
ные счетные и управляющие машины? Конечно, многие
технические задачи можно решать при помощи и гидро-
интегратора и электронных машин. Сама аналогия
электрических и гидравлических явлений сближает обе
«умные» машины: вода направляется сверху вниз под
влиянием напора, как электричество течет от мест
с более высоким напряжением к точкам, находящимся
под низким напряжением.
Течение воды зависит от сопротивления труб — их
диаметра, качества внутренних поверхностей стенок.
Течение тока зависит от электрического сопротивления
цепей. Но действие гидроинтегратора проще, нагляднее.
Процессы, связанные с течением воды, — они сейчас
играют особенную роль — на гидроинтеграторе идут,
так сказать, при естественной действующей среде —
той же воде.
Но ни электронной машиной, ни гидроинтегратором
не исчерпываются возможности применения метода ана-
логий для решения сложнейших задач. Придет время,
и в распоряжении ученых и инженеров окажется ка-
кая-нибудь еще более «умная» и простая машина.
И, может быть, ее создадут те же люди, которые сей-
час так быстро строят и разрушают бесчисленные
электрические и водные модели сооружений, машин,
деталей.
ПОД ИСКУССТВЕННЫМ СОЛНЦЕМ
Вдоль шоссейной дороги вытянулась длинная це-
почка фонарей, бросающих неяркий свет на землю. По
шоссе движется автомобиль, и свет его фар мягко
смешивается с лучами фонарей: то один, то другой
участок пути освещается несколько более ярко. Но
вдруг ряд деревьев быстро переносится с левой на пра-
вую сторону дороги. Густая тень падает в этом месте
на шоссе, и свет автомобильных фар, пронизывая
256
полутьму, вызывает в гла-
зах чувство ослепления.
Тотчас же раздается
звонок, и на столбике,
освещенном фарами, заго-
рается красный сигнал:
тут опасное место дороги,
и встречные машины бу-
дут ослеплять водителей,
напряженно глядящих
вперед. Сейчас же вслед
за переселением деревьев
переносится и один из фо-
нарей — это сделать не-
трудно на модели дороги,
протянувшейся всего на
несколько метров и устав-
ленной фонарными стол-
бами чуть длиннее каран-
даша. Теперь уже нет тем-
ного пятна на пути авто- Моделирование освещения до-
мобиля — модели величи-	роги.
ною с коробку папирос.
Моделирование искусственного освещения дорог
с напряженным движением транспорта — весьма от-
ветственная задача, и именно модели тут подчас от-
крывают такие секреты, которые нельзя обнаружить
никаким другим путем. Будет ли вызвано ослепление
шофера огнями встречной машины у этого крутого по-
ворота? Тележка-модель, пущенная экспериментато-
ром, снабжена чрезвычайно,чувствительным прибором,
«глазом» которого служит фотоэлемент. Лишь только
на фотоэлемент падает луч фар встречной модели, сиг-
нал возвещает о возможности аварии. Так в США ин-
женеры проверяют качество освещения дорог.
На печальном многолетнем опыте установлено, что
даже огонек папиросы, вдруг бросившийся в глаза шо-
феру в темноте, вызывает ослепление. Оно длится не-
долго, но достаточно, чтобы машина слетела в про-
пасть, наскочила на другой автомобиль. Правильное
расположение дорожных фонарей, удаление деревьев
17 Тайны моделей
257
подальше от краев шоссе, что способствует более яр-
кому естественному освещению, дают возможность
глазам водителя «работать» в лучших условиях и спа-
сают не одну человеческую жизнь.
Моделирование искусственного освещения дорог и
улиц позволяет обнаруживать пороки и самих светиль-
ников. Долгое время этому не уделялось достаточно
внимания, и шофер, на определенном расстоянии от
фонаря поднявший голову, оказывался ослепленным
ярким светом лампы, плохо скрытой ее арматурой. Ме-
жду тем быстрый пропуск больших потоков транспор-
та в городе возможен только тогда, когда водители
всех родов транспорта издалека и хорошо видят улич-
ные светофоры, знаки, отмечающие места перехода пе-
шеходов.
Проблема уличного движения, например в Москве,
требует для своего решения серьезной научно-исследо-
вательской работы. В Академии коммунального хозяй-
ства имени К. Д. Памфилова в лаборатории сектора
городского транспорта делается много опытов, помо-
гающих найти новый метод регулировки уличного дви-
жения. Моделирование тут играет очень большую роль,
иногда позволяя находить совершенно новые методы
борьбы с уличными «заторами».
На железнодорожном транспорте путь разгружает-
ся, когда важнейшим составам дают «зеленую ули-
цу» — предоставляют возможность двигаться почти без
остановок. Там задача облегчается отсутствием попе-
речного движения. На улицах города дело сложнее.
В Академии имени К. Д. Памфилова разработали
план движения не по «зеленой улице», а «зелеными
волнами». To-есть вдоль, всей магистрали, минуя пере-
кресток, двигаются машины сначала одного направле-
ния, одной «зеленой волны», а потом через тот же пе-
рекресток пойдет поперечная «зеленая волна». Это
позволяет машинам двигаться без остановок со ско-
ростью 40 километров в час, не ожидая, пока прой-
дет встречный поток.
Для осуществления интересного проекта «пульси-
рующего транспорта» надо было проделать множество
опытов в лаборатории, установить скорость, с которой
258
должны двигаться машины, чтобы, начав путь у въез-
да на магистраль, приехать к «финишу» как раз «под
зеленый сигнал» и, не задерживаясь, пересечь пере-
кресток.
Задача, сложная для дневного времени, еще более
трудна ночью. Автоматизация всех светофоров, кон-
струирование новых автоматов и разработка ночных
хорошо светящихся, но не слепящих дорожных зна-
ков — все это только часть вопросов, потребовавших
решения, прежде чем москвичи испытали удобство но-
вой системы — «зеленой волны»., введенной впервые
на одной из магистралей столицы — по Садовому
кольцу.
Но освещение улиц ночью важно не только для бе-
зопасности движения транспорта. Город ночью не дол-
жен превращаться в «таинственного незнакомца».
А как часто красивые днем улицы становятся неузна-
ваемыми, незнакомыми, когда на город опускается
тьма и загораются искусственные источники света.
Архитектурное освещение немыслимо без моделей.
Только множество опытов, проделанных над моделями
отдельных зданий и целых городских архитектурных
ансамблей, открывает достоинства того или другого
вида освещения и порою позволяет создать совершен-
но неожиданный, но очень красивый эффект.
Вот модель сравнительно невысокого здания, укра-
шенного колоннами. Сейчас на улице города оно осве-
щается «в лоб», лучами фонарей, направленными пер-
пендикулярно к фасаду. Взор прохожего равнодушно
скользит по дому. Но посмотрите на те же колонны, те
же узковатые оконные проемы, когда лампы-прожек-
торы помещаются у основания колонны. Здание мгно-
венно преобразилось: колонны как будто стали строй-
нее, выше, игра светотеней подчеркнула строгую кра-
соту окон, ложных и настоящих балконов. Все эта
сравнительно быстро проделывается на модели,
а скольких трудов потребовали бы подобные опыты
в натуре!
Не менее сложную задачу представляет моделиро-
вание освещения внутри зданий, особенно рабочих
мест. Уже очень давно светотехники всего мира бьют-
17*
259
ся над тем, чтобы поймать солнечный луч, заключить
его в колбу, в трубку и заставить служить человеку, —
ведь наш глаз лучше всего приспособлен к естествен-
ному дневному свету.
Какие только «модели солнца» не создавались!
Электрический разряд в парах ртути дает освещение,
подходящее для многих работ. Но лучи ртутных ламп
словно отнимают жизнь у всего, на что они падают,
а лица делаются мертвыми — зеленоватыми.
Лампа накаливания с раскаленной нитью, поме-
щенной в атмосфере инертного газа или пустоте, испу-
скает много разных лучей. Есть лампы накаливания
с большим или меньшим количеством зеленых и жел-
тых лучей. Комбинируя ртутную лампу с другими, уда-
лось получить освещение, довольно близкое к есте-
ственному. Но такая «модель солнца» была очень гро-
моздкой, дорогой и в изготовлении и в эксплуатации.
Решение задачи было найдено только при .помощи
люминесцентных ламп. В этих лампах-трубках, в ко-
торых происходит электрический разряд в газе, све-
тятся так называемые люминофоры — вещества, нане-
сенные на стенки трубки и способные светиться под
влиянием бомбардировки электронами, которая идет
в трубке во время электрического разряда. Подбирая
люминофоры, трубку можно заставить светиться чисто
белым светом или более «живым» — дневным.
Моделирование освещения сыграло очень большую
роль в период войны, когда надо было осветить и внут-
ренние помещения и некоторые наружные части со-
оружений, но делать это так, чтобы враг не мог вос-
пользоваться световыми ориентирами. «Незримое осве-
щение» самолета стало возможным только после того,
как на моделях была создана схема, состоявшая из ис-
точника света, испускающего «черный свет», неулавли-
ваемый глазом, и целого ряда приемников этих излуче-
ний — составов, светившихся в невидимых лучах и на-
несенных на шкалы приборов и детали управления
машиной.
Ошибки случаются не только в расчете на искус-
ственные источники света. Эти ошибки исправляются
без особенного труда. Хуже, когда не оправдывается
260
расчет на дневное освещение. Значит, неправильно рас-
положили здание, неверно сделали оконные проемы,
«фонарь» на крыше завода. Тут исследователи моде*
лей встречают особые трудности.
В лаборатории светотехники Центрального научно-
исследовательского института промышленных сооруже-
ний за несколько минут, пользуясь «моделью неба»,
можно проследить всю годичную смену освещения: то
с полуденного, бледного от зноя, неба будут литься яр-
кие «солнечные лучи», то осенний непогодливый денек
сменится ранними зимними сумерками, а они — голу-
бым весенним утром.
Первое впечатление, вызванное этой странной уста-
новкой,— довольно1 мрачное. Здесь все черное: пол,
стены, потолок. И только небо, представляющее полу-
сферу, белеет ярким светлым пятном на этом одно-
образном угнетающем фоне. Внизу, прямо под «не-
бом», «земля», попросту плоскость, на которой уста-
навливаются модели сооружений. Во время испытания
смотрят, как они будут освещаться и выглядеть в раз-
личное время суток и года.
Черный цвет окраски потолка, пола и стен выбран
не случайно. Благодаря ему не происходит отражения
световых лучей, бросаемых «небосводом», и интенсив-
ность освещения в модели здания легко подсчитывает-
ся, когда известна сила источников света, их расстоя-
ние до изучаемого объекта и еще некоторые другие
характерные величины.
Для освещения «неба» служат люминесцентные и
зеркальные лампы. Их закрывает особый карниз, об-
рамляющий полусферу «небосвода». Двадцать четыре
прожектора и особый передвижной прожектор—«солн-
це» — вместе со всеми остальными источниками света
требуют мощности в 40 киловатт. Это солидная для
сравнительно небольшого помещения мощность. Но
тут не мешает припомнить, что каждому квадратному
километру земной поверхности солнце щедро дает све-
товую мощность в несколько десятков тысяч киловатт.
Как будет освещаться здание, предназначенное для
дальнего юга нашей страны и стоящее сейчас на мо-
дельной земле? На пульте управления, расположенном
261
в углу лаборатории, включается рубильник. Начи-
нается восход солнца. Все более и более яркие лучи
падают на модель здания. Нет, не позавидуешь тем,
кто будет работать в этом доме, — слишком уж много
в нем солнца.
Здание поворачивается иначе, и «солнце» снова со-
вершает весь свой дневной путь по небосводу. Здесь
это отнимает у наблюдателей немного времени. Но
теперь они твердо знают, как именно должен стоять
проектируемый дом, чтобы его обитателям не надо
было весь жаркий период года бороться с вторжением
солнечных лучей.
А другое здание, которое строители воздвигнут на
севере, долго приходится вертеть в разные стороны,
пока удается получить наилучший эффект под туск-
лым, словно обложенным густыми облаками небосво-
дом, льющим скупой, какой-то чахлый свет.
В городах здания стоят не изолированно друг от
друга. Одни посылают в дом напротив много отражен-
ных своей светлой поверхностью лучей. Другие слу-
жат как бы светопоглощающим экраном. Поэтому,
чтобы знать, как будет освещено проектируемое зда-
ние, работники лаборатории на модели воспроизводят
все окружение еще пока не существующего строения.
«Искусственное небо» незаменимо для правильного
освещения рабочего места станочника, инженера, хи-
рурга, часового мастера, текстильщиц, художников.
Оно позволяет из всей массы условий, сказывающихся
на освещенности, выбирать любое и без всяких помех
изучать только его влияние.
Раньше задача человека, проектировавшего дневное
освещение здания, очень осложнялась тем, что он сра-
зу должен был принимать во внимание все: и погоду,
и время суток, и окружающие дома. Теперь он может
по своей воле создавать условия любого светового
климата.
Облегчается и труд архитектора, который хочет
знать, как его. дом будет выглядеть в разное время го-
да и суток на Крайнем Севере, в центре страны, на
западе^ на востоке, на юге. Маленькая модель, пульт
управления «солнцем» и «землей»—вот все, что нужно,
262
Под искусственным солнцем.
чтобы перенестись в какой угодно уголок нашей
страны и оказаться в положении прохожего, разгля-
дывающего дом в яркий полдень или в час захода
солнца и порицающего или расхваливающего архи-
тектора за его труд.
ТЕХНИКА ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА
Непрерывно растущие скорости движения деталей
машин, все большие давления, применяемые при иссле-
дованиях и обработке различных материалов, сверх-
высокие температуры, очень высокие электрические
напряжения — все это требует особых мер защиты че-
ловека, обслуживающего установки на механических,
металлургических и других заводах.
Прошли времена, когда достаточно было лишь укре-
пить дощечку с черепом и скрещенными костями, что-
бы предупредить об опасности электрического тока.
Теперь электрические установки столь сложны, на-
пряжение в них так высоко, что ограничиваться одним
предупреждением нельзя. Необходима надежная за-
щита, чтобы человек не смог стать жертвой несчаст-
ного случая от электрического удара. Здесь моделиро-
вание оказывает очень большие услуги.
Вот, например, часть электростанции, где в прово-
дах напряжение так высоко, что даже приближение
к ним опасно. Чтобы защитить персонал, тут приме-
няется автоблокировка: нельзя открыть дверь в поме-
щение с высоким напряжением, не выключив при этом
электрического тока.
Наиболее удобная, простая, быстродействующая и
надежная система блокировки всегда проверяется на
маленьких моделях, занимающих какой-нибудь уголок
на рабочем столе инженера. А на производстве такая
же система потребует километры проводов, мощные
выключатели, моторы.
У нас уже сравнительно давно введен ремонт на
линиях, несущих электрическое напряжение свыше
200 тысяч вольт. Его производят, не выключая тока,
чтобы не лишать энергии предприятия и жилища. Мно-
гим казалось опасным и даже невозможным работать
264
на линиях в столь необычных условиях. Для опытов и
проверки условий ремонта рисковать человеческой
жизнью, конечно, было нельзя.
Но вот однажды на линиях высокого напряжения
появился странного вида монтер, увешанный прибора-
ми, опутанный целой сетью проводов.
Он проворно поднялся при помощи заранее укреп-
ленных веревок по опоре линии. Сопровождавшие его
исследователи наблюдали за установленной на земле
аппаратурой. Она была связана проводами с телом
монтера и укрепленными на нем приборами.
Раздался звонок, загорелась сигнальная лампа, от-
клонилась стрелка прибора, показавшая, что через
тело жертвы прошел смертельный ток. А монтер под-
нимался все выше и выше, приближался то к одному
проводу, то к другому. Его ничто не страшило, потому
что это был не человек, а только манекен — модель
человеческого тела, которая позволяла судить, через
какие органы проходит электрический ток в том или
другом положении тела на опоре.
Определив силу тока и выяснив все условия, свя-
занные с опасностью даже незначительного пораже-
ния, исследователи составили временные правила ра-
боты без отключения тока на линиях сверхвысокого
напряжения.
Одна научно-исследовательская организация после
экспериментов с моделями предложила конструкцию
вышки, работая на которой человек уподобляется пти-
це на проводе под каким угодно высоким напряжени-
ем. Изоляция птицы от земли и другого провода
идеальна. Конструкторам «сверхвысоковольтной выш-
ки» удалось добиться примерно таких же условий и для
монтера. Находясь на вышке, он прикасается к прово-
ду, несущему напряжение свыше 200 тысяч вольт, но
работает спокойнее, чем электрик невыключенной ком-
натной сети с напряжением в 120—220 вольт.
Линии, связывающие Москву с Куйбышевом и
Сталинградом, работают под напряжением в 400 ты-
сяч вольт. Поэтому опыт специалистов, приобретен-
ный на линиях, действующих под напряжением
в 200 тысяч вольт, очень ценен.
265
Но высокое электрическое напряжение служит не
только для промышленных целей. Научно-исследова-
тельские учреждения во время различных опытов при-
меняют токи с чрезвычайно высоким напряжением.
Здесь поистине человек получает искусственную мол-
нию, которая в любую минуту может поразить неосто-
рожного. Долго делались опыты на различных моде-
лях, прежде чем удалось найти надежную защиту от
сверхвысокого напряжения.
Американские ученые, пользующиеся рентгеновски-
ми трубками, действующими под напряжением в не-
сколько миллионов вольт, разработали особые костюмы,
представляющие собою нечто вроде подвижной ме-
таллической клетки, надежно заземленной. Такая
клетка предохраняет от опасных электрических напря-
жений.
Естественно, что найти надежный метод защиты че-
ловека от напряжений, еще никогда не применявших-
ся, можно только после ряда длительных эксперимен-
тов. «Жертву» — манекен с приборами — ставят в са-
мые различные положения по отношению к источнику
опасного напряжения, а специальные киноаппараты
непрерывно фиксируют и положение манекена и пока-
зания многочисленных приборов. Иногда съемку произ-
водят в полной темноте при помощи инфракрасных лу-
чей. Это дает возможность улавливать электрические
разряды, эффектно выходящие на снимках и показы-
вающие возможный путь поражения.
Создание электрической «модели человеческого те-
ла» не представляет больших трудностей, так как те-
перь очень хорошо известно электрическое сопротив-
ление и человеческой кожи и частей или всего тела
в любом направлении, в любых условиях.
Высокое электрическое напряжение в большинстве
случаев угрожает лишь сравнительно узкому кругу
людей, специалистов. Гораздо большее число людей,
работающих на различных предприятиях, обслуживает
быстродействующие машины с их тяжелыми стреми-
тельно двигающимися деталями.
Когда-то, например, источником постоянного трав-
матизма были быстродействующие прессы. Оградить
266
их рабочие части невозможно, так как это затруднит
подачу деталей под пресс.
На помощь пришла электроавтоматика.^ Невидимый
луч, падающий на фотоэлемент, сразу останавливает
пресс, если на пути луча вдруг появится рука рабоче-
го. Создание такой автоматической защиты потребова-
ло бесчисленных опытов на моделях, ибо надо было
исследовать весь процесс, предусмотреть все возмож-
ности попадания руки рабочего в «челюсти» пресса.
Конечно, если такие опыты вести на настоящих ма-
шинах, они сопровождались бы массой жертв. Но мо-
дель, удачно имитирующая производственный процесс,
позволила рабочему безопасно подставлять руки под
охраняющие невидимые лучи, и исследователи защиты
могли наблюдать безотказность ее действия в различ-
ных условиях.
Габариты машин, движущихся и неподвижных, не-
мало сказываются на травматизме. Там, где тесно, где
машины расположены неправильно, травматизм нере-
док. Вместе с тем правильное расположение машин да-
ет возможность полнее использовать производственную
площадь, повышать съем продукции с каждого квад-
ратного метра цеха. Здесь моделирование также ока-
зывает большую помощь. Модель цеха, завода в целом,
вместе со всем оборудованием, с подсобными помеще-
ниями позволяет выбрать наилучшую комбинацию.
И это касается не только проектируемых заводов, но
и работающих.
Такая модель как будто приближается к модели-
макету. Но в действительности это не мертвый макет,
а динамическая установка. Порою над такою моделью
ломают головы десятки специалистов, производящих
всевозможные расчеты, исследования. Иногда на моде-
ли движется транспорт — тележки, подвозящие мате-
риалы, подъемные краны.
Моделирование цеха завода точно позволяет устано-
вить условия, в которых будет находиться человек: ка-
кая на него будет действовать температура, как осветят-
ся рабочие места искусственным и дневным светом, как
будут двигаться потоки воздуха, вызывая у рабочих ли-
бо приятные ощущения, либо опасное охлаждение тела.
267
Некогда в горячих цехах для охлаждения люди все
время пили воду и периодически обливались ею из вед-
ра или под душем. Спецодежда в этих цехах так пропи-
тывалась солями, выделяемыми потовыми железами,
что, сняв ее, можно было поставить на пол, и она, слов-
но жестяная или картонная, стояла на месте, сохраняя
форму человеческого тела.
Теперь в горячих цехах успешно применяется
«искусственный климат»: воздух и охлаждается и очи-
щается так, чтобы рабочий у печей или около горяче-
го металла чувствовал себя хорошо. Мудрено было со-
здать подобные «оазисы» в больших цехах — ведь дале-
ко не всегда возможно изменить «климат» всего цеха
крупного завода.
Исследователь строил модель цеха, размещал в нем
очаги нагрева, устраивал вентиляцию, подобную той,
которая имелась на производстве, устанавливал изме-
рительные приборы, показывавшие и температуру и
течение воздуха в разных точках цеха. Очаги нагрева
в этих- миниатюрных цехах создаются не горящими уг-
лем или нефтью — это только маленькие электрические
«плитки», температура которых точно регулируется
особой аппаратурой.
Сейчас на некоторых заводах установки «искус-
ственного климата» есть даже на рабочих местах кра-
новщиков, которым в своей кабинке, перенося грузы,
приходится совершать путешествие, то приближаясь
к раскаленным печам, то к раскрытым дверям цеха или
воротам, откуда дуют ледяные потоки зимнего воз-
духа.
Чтобы преградить в цех доступ холодному возду-
ху, Всесоюзный научно-исследовательский институт
охраны труда ВЦСПС делал много опытов над мо-
делью цеха с воздушной завесой. В модели поток воз-
духа создавался центробежным насосом, от которого
воздухопровод тянулся в цех. Другим способом созда-
ния «сквозняка» была установка перед воротами цеха
мощного нагнетающего вентилятора. Для противодей-
ствия этому потоку с двух или с одной стороны ворот
через особые щели вырывались струи воздуха.
Опыты с моделями показали, что односторонняя за?
268
Как в цехах завода будет двигаться воздух? Испытание модели
здания в аэродинамической трубе.
веса выгоднее и эффективнее двусторонней. Двусто-
ронняя завеса должна применяться только в том слу-
чае, когда в воротах застревают машины, мешающие
струе, идущей с одной стороны, перекрывать весь про-
ем ворот. В результате этих опытов и проверки на заво-
дах установлено, что без воздушной завесы в ворота
цеха врывалось много холодного воздуха. А при рабо-
тающей односторонней воздушной завесе — в два раза
меньше. Таким образом, не расходуя добавочного топ-
лива, в цехе можно повысить температуру.
Много опытов на моделях было проделано во Все-
союзном научно-исследовательском институте охраны
труда ВЦСПС при разработке так называемых водо-
воздушных душей. Опыты на моделях показали, что
когда рабочее место находится на расстоянии более
5—6 метров от наружной стены, подать к рабочему ме-
269
сту свежий воздух при помощи вентиляционных уста-
новок трудно.
Если температура в цехе или на определенном
участке превышает 28—30 градусов при работах сред-
ней тяжести или 24—25 градусов при тяжелых физиче-
ских работах, обычные вентиляционные установки так-
же недостаточно эффективны. Для этих случаев в од-
ной из лабораторий института разработали систему
«искусственного потения».
К вентилятору подается вода, и он, распыляя ее сво-
ими крыльями, создает в воздухе тончайший водяной
туман. Оседая на одежде, на непокрытых одеждой ча-
стях тела, эти крошечные капельки влаги быстро испа-
ряются в струях воздуха, которые вентилятор гонит
вместе с водяным туманом. Таким образом, тело
охлаждается как бы за счет потения.
Но в данном случае потение происходит без рас-
ходования влаги человеческого тела, без вредной поте-
ри солей.
Самочувствие рабочего, подвергающегося такому
искусственному потению, резко улучшается. В то же
время нет опасности простудиться из-за переохлажде-
ния тела.
Интересные работы по вентиляции горячих цехов
проведены Ленинградским научно-исследовательским
институтом охраны труда ВЦСПС. Этому институту
было дано задание исследовать вентиляцию котель-
ной мощной тепловой электростанции. Исследовате-
ли выполнили экспериментальную установку, сделав
модель здания и оборудования в 7зэ натуральной ве-
личины.
Модель здания была из фанеры, а для изготов-
ления «оборудования», подвергающегося нагреву, при-
менили кровельную сталь. «Печи» и другие объекты
изучения, температура которых должна была быть
сравнительно высокой, обогревались электрическим
током.
При помощи тонкой регулировки можно было полу-
чать любую температуру, требуемую опытами. А для
того чтобы наблюдать, как ведут себя воздушные по-
токи внутри «здания», модель снабдили достаточным
270
количеством застекленных «окон», через которые были
видны струи подкрашенного дыма, заменявшего воз-
дух цеха.
Опыты на модели показали, что для правильной
вентиляции зданий котельных электростанций имеет
большое значение и то, как открываются вентилирую-
щие фрамуги, и то, как расположено здание по отно-
шению к направлению господствующих ветров. Лучше
всего здание вентилируется, когда ветер дует перпен-
дикулярно плоскости наружной продольной стены ко-
тельной электростанции.
В зимнее время, как показала модель котельной,
наружный воздух следует подавать сверху — через
фонарь на крыше. Остальные же отверстия, служащие
для подачи наружного воздуха, в это время должны
закрываться, чтобы не возникла опасность переохлаж-
дения рабочих мест, а с ней и сильных простуд.
Потребность в вентиляторах у нас очень велика, и
растет она с каждым днем. Нам нужны и крошечные
настольные вентиляторы с безопасными мягкими ре-
зиновыми крыльями и сверхмощные вентиляторы для
шахт, для производств с выделением вредных для ды-
хания веществ. Все это побудило наших специалистов
вентиляторостроения заняться изысканием точных ме-
тодов, позволяющих оценить эффективность вентилято-
ра еще до его изготовления.
Метод моделирования вентиляторов, первые опыты
по которому начались в 1933 году, уже дал весьма важ-
ные результаты. Путь создания вентиляторов теперь
таков: к расчетно-проектным работам добавляется
проверка на модели, а уж потом новая продукция вы-
пускается в промышленных масштабах.
В 1933 году в Центральном котлотурбинном инсти-
туте понадобилось сконструировать очень мощный вы-
соконапорный вентилятор для вихревой топки систе-
мы Макарьева. Вентилятор был тут одним из основных
узлов всего топочного устройства, и поэтому его изго-
товлению уделили очень много внимания.
В институте сделали модель вентилятора. Потом
по расчетным данным, в которые внесли поправки бла-
годаря испытаниям модели, был создан настоящий вен-
271
тилятор. Его испытание превзошло все ожидания: коэф-
фициент полезного действия настоящего вентилятора
оказался выше, чем у модели. Это как будто показыва-
ло, что модель несколько не соответствовала оригина-
лу. Но дальнейшие исследования открыли, что винова-
та была излишняя точность, принимавшаяся при мо-
делировании. Исследователи старались сопротивление
всего тракта, по которому идет воздушный поток,
слишком приблизить к натуральному. В действительно-
сти для заданного условия этого и не требовалось.
После первой крупной работы по моделированию
вентиляторов наши специалисты занялись не только
проверкой на моделях предварительных расчетов этих
машин, но и изучением отдельных деталей их, чтобы
улучшать качество всей машины, повышать ее надеж-
ность, коэффициент полезного действия, экономич-
ность.
Повышение экономичности вентиляторов, выпускае-
мых нашей промышленностью, должно дать стране
ежегодную экономию в десятки миллионов рублей.
Огромную помощь моделирование оказывает техни-
ке безопасности строительных работ при сооружении
шахт, заводов и жилых домов. Методом моделирова-
ния у нас был разработан, например, наилучший спо-
соб крепления сводов в забоях. Этот же метод послу-
жил и для более совершенных способов определения
Чтобы не уставал шофер.
величины горного давле-
ния. Ее необходимо знать,
чтобы безопасно углуб-
ляться в недра земли.
Высотные здания в на-
шей стране начали воз-
двигаться совсем недавно.
Отсутствие опыта такого
строительства должно бы-
ло как будто грозить боль-
шой аварийностью, а мо-
жет быть, даже и жертва-
ми среди строителей, не
привыкших работать на
значительных высотах,
272
в необычных условиях.
В действительности этого
не произошло. В значи-
тельной мере здесь помог-
ло правильно применяемое
моделирование средств,
которые обеспечивают
безопасность работы на
разных этапах создания
высотных домов.
Моделирование пере-
движных лестниц, мост-
ков, специальных поясов
В поисках лучшей рукоятки
отбойного молотка.
не кажется удивительным.
Но то, что для рабочих некоторых специальностей мо-
делируется одежда, это может показаться странным.
Моделируя одежду для рабочих, специалистам прихо-
дится решать весьма сложные научные проблемы.
Как, например, защитить рабочего от брызг едких
веществ в цехе, где температура сравнительно высока?
Здесь нельзя применить материал плотный, не пропу-
скающий испарений, — тело рабочего будет лишено
необходимого охлаждения.
Всесоюзный научно-исследовательский институт
охраны труда ВЦСПС и сотрудники некоторых других
институтов долго «строили» модель такой ткани, кото-
рая не боялась бы кислоты и в то же время достаточно
легко пропускала воздух. Наконец нужную ткань уда-
лось создать, подобрав состав, обволакивающий каж-
дое волокно и защищающий его от кислоты. В то же
время этот состав не образовывал на костюме сплош-
ную пленку, не пропускающую испарений, и не препят-
ствовал кожному дыханию. Кислотозащитная ткань
«ШХВ-ЗО-КП» изготовляется из натуральной шерсти и
синтетических волокон. Несмотря на пропитывание спе-
циальными веществами, ткань очень мягка и легка.
Работа мощных рентгеновских аппаратов, действие
ультракоротковолновых установок, применяемых для
целей исследования в промышленности и связи, созда-
ют опасные зоны. Особенность их в том, что опас-
ность незрима, неощутима: человек не испытывает
18 Тайны моделей
273
никаких неприятных ощу-
щений.
Действие невидимых
излучений весьма вредно
сказывается на всем чело-
веческом организме, а со-
здавать методы защиты,
выбирать наилучшие и
простейшие можно только
на основании опытов.
Здесь моделирование при-
Модель рукоятки валика для несло И приносит очень
типографских работ.	большую ПОЛЬЗу. МаЛО-
мощные модели позволяют
производить исследования по показаниям приборов,
на аппаратуре, заменяющей человеческое тело.
Так- находят не только наилучшие методы защиты
от вредных лучей, но и более точно определяют лечеб-
ные дозы излучений, применяемых при лечении рент-
геновскими лучами, УВЧ, диатермией.
Особая опасность таится в аппаратуре, где происхо-
дит распад частиц. Радий уже давно применяется
и с лечебными целями и для технических надобностей.
После замечательного открытия радиоизлучений мно-
гие специалисты с огромным рвением принялись за
глубокое изучение свойств радия. Но когда, спустя не-
которое время, ученые собрались на конференцию
радиологов, президиум этой конференции, в который
выбрали самых заслуженных деятелей новой отрас-
ли науки, представлял страшное зрелище. У одних
исследователей не было пальцев на руках, лица дру-
гих искажали язвы, третьи лишались зрения, четвер-
тые оказались парализованными. Все это было резуль-
татом работы с установками, в которых имелись хотя
бы самые незначительные количества радия. Великий
польский ученый Мария Склодовская-Кюри погибла от
злокачественного малокровия, вызванного длительным
пребыванием в зонах действия открытого ею радия.
Еще более опасные и мощные излучения происхо-
дят при искусственно вызываемых распадах атомов
различных веществ. Чтобы защититься от этих излу-
274
чений, на заводах и в лабораториях нужны совершен-
но особые меры. В разработке таких мероприятий
свое место заняли и модели.
Одна из таких моделей реактора (устройства, где
происходит искусственный распад атомов) находится
в США, в Окридже. Мощность его очень невелика,
и реактор может служить только как своеобразная мо-
дель для изыскания средств защиты от излучений, со-
провождающих атомный распад, а также и для улуч-
шения методов, применяемых при искусственном рас-
паде атомов в больших установках.
Модель атомного реактора носит название из-за
своего малого размера «Бассейн для плавания». Весь
реактор работает в бассейне в 6 метров ширины,
12 метров длины и 6 метров глубины. В бассейне —
обыкновенная вода.
Модель атомного реактора сделана разборной,
и особый кран может передвигать реактор в любое ме-
сто бассейна и опускать его на любую глубину. Чтобы
судить, как действуют излучения этого реактора, про-
низывающие тот или другой слой воды, являющейся
весьма хорошей защитой от этих излучений, приме-
няется другой передвижной кран. Он снабжен набором
необходимых аппаратов и приборов, которые опускают-
ся на любое расстояние от реактора.
Во время работы реактора в нем повышается тем-
пература, вода в бассейне охлаждает его и замедляет
ход реакции. Защитным слоем в данном случае слу-
жат не только вода, но и бетонные стенки бассейна.
‘ Есть в США и другие модели атомных реакторов.
Мощность некоторых из
них меньше 1 ватта. Такой
реактор построен близ
Лос-Анжелоса. Его даже
не нужно охлаждать, но
от него необходимо защи-
щаться, и весьма серьезно.
Защитой персонала слу-
жат бетонные блоки тол-
щиной в 60 сантиметров. и простые ножницы требуют
Некогда на заводах,	улучшения.
18*
275
где изготовлялись различные очень опасные составы,
рабочие, наблюдавшие за процессом, сидели на ориги-
нальных стульях — с одной ножкой, упиравшейся в пол
довольно острым концом. Это делалось для того, чтобы
утомленный однообразным занятием рабочий не задре-
мал хотя бы на секунду и не пропустил повышения тем-
пературы, грозившего взрывом и разрушением всего
предприятия. Едва только рабочий закрывал глаза, он
терял равновесие на своем неустойчивом стуле и тотчас
же возвращался к действительности.
Теперь это устройство давно покоится в музеях. Оно
заменено автоматической и телемеханической аппара-
турой, строго регулирующей течение любых процес-
сов: и химических, и тепловых, и механических,
и электрических. Автоматика и телемеханика успешно
заменили глаза, уши, руки человека не только в опас-
ных местах производства, но всюду, где требуются та-
кие скорости действия, которых не может обеспечить
самая лучшая тренировка и многолетний опыт. В ис-
следованиях по созданию такой аппаратуры большую
роль сыграло и моделирование.
НЕОБЫКНОВЕННЫЕ МОДЕЛИ
ЭЛЕКТРОНЕВОД И «ЛИФТЫ» ДЛЯ РЫБ
днажды в зоологическом магазине
в Москве появился странный посети-
тель. Держа в руке ведро, он быстро
обошел весь магазин, равнодушно
поглядывая на причудливых вуале-
хвостов, величественно двигавшихся
среди тропических водорослей. Его
совсем не заинтересовали яркоокра-
шенные пучеглазые телескопы, как
будто что-то искавшие на потолке
своими гипертрофированными глазами. Не задержался
его взгляд даже на гордости магазина — на плоских
серебристых с чернью скаляре.
Зато неподдельный восторг выразился на лице мо-
лодого посетителя, когда он увидел аквариум, кишев-
ший плотвой, окуньками — словом, всей той «нераз-
борной мелочью», которую искренне презирают настоя-
щие рыбоводы, хотя бы достигшие только десятилет-
него возраста.
— Дайте мне сотню штук этой живности, — попро-
сил молодой человек, протягивая ведро сотруднице ма-
газина.
— Куда вам их столько? — удивилась та.
— Для опыта! Для опыта! — нетерпеливо ответил
странный посетитель и поспешил домой.
Это был Н. Ф. Чернигин — студент Московского
института рыбной промышленности и хозяйства имени
277
А, И. Микояна. Комната Чернигина представляла со-
бою удивительное сочетание электротехнической лабо-
ратории, библиотеки и аквариумного помещения. По-
всюду провода, измерительные приборы, аккумулято-
ры, гальванические элементы. Среди целых гор книг
блестели банки, аквариумы, тянулись трубки для на-
сыщения воды кислородом.
Центральное место занимал большой аквариум со
стеклянной трубой, сильно расширявшейся книзу. Кое-
где эту трубу покрывали металлические пластинки, от
которых провода шли к источникам электрического
тока.
Чернигин включил лампу, мягко, но достаточно
сильно освещавшую воду. Затем он выловил из только
что принесенного им ведра десяток рыбешек и осторож-
но пересадил их в аквариум. Рыбки сначала замета-
лись, наталкивались на почти незаметную в воде стек-
лянную трубу, с разбегу ударялись о стенки аквариума.
Но постепенно они успокоились. Новое помещение по.
сравнению с прежним было великолепным. Рыбы пла-
вали все медленней и самые спокойные уже старались
добыть где-нибудь пропитание.
Можно начинать опыт... Студент включил электри-
ческий ток в металлические пластины, покрывавшие
стеклянную трубу, и в медные прутья, расположенные
неподалеку от этой трубы. Жадно вглядывался моло-
дой исследователь в воду своей необыкновенной уста-
новки... Но увы, никакого изменения в поведении рыб
не произошло.
Чернигин осмотрел измерительные приборы. «Надо
повысить напряжение», — решил он. И тотчас произо-
шло то, чего он так ждал. Рыбки, словно кусочки желе-
за, притягиваемые магнитом, повернули головы к сте-
клянному раструбу и устремились к нему одна за
Другой.
Много раз повторял опыт Чернигин, меняя порядок
включения трубы и медных прутьев, увеличивая или
уменьшая силу тока. И все больше убеждался, что
главное было найдено: если к трубе присоединить плюс
источника электрического тока, а минусом сделать не-
278
сколько направляющих электродов, расположенных
неподалеку, рыба сама пойдет к трубе.
А достаточно ли действие электрического тока, что-
бы преодолеть природный инстинкт рыб — плыть про-
тив течения?
Чернигин включил маленький насос, и уровень во-
ды в аквариуме стал быстро понижаться, течение под-
хватывало рыбок, приблизившихся к трубе, но они все-
таки попадали в нее и плыли к выходному концу
стеклянной ловушки: спасительный природный инстинкт
был подавлен электрическим током!
Модель студента Чернигина работала отлично и
показывала, каким должен быть большой электроне-
вод, чтобы им можно было ловить рыбу совершенно
новым способом — без сетей, без крючков.
На этой и других более сложных и больших моде-
лях изобретатель открыл много интереснейших осо-
бенностей бессетевого электрического лова рыбы.
Прежде всего он установил, что электрическим током
можно очень легко сортировать вылавливаемую рыбу:
крупная рыба оказалась наиболее чувствительной к то-
ку. Она первой шла к входной трубе насоса, соединен-
ной с плюсом источника электричества.
Химический состав воды, скорость ее течения, вид
рыбы — все это требует создания особых условий, что-
бы рыба сама шла в трубу насоса, а не распугивалась,
едва только ощутив действие электричества.
Чернигин проделал много опытов, стараясь узнать,
действует ли «ловчий ток» на жизнестойкость рыб,
на их вкус. Опасения исследователя были напрасны —
рыба ничем не отличалась от выловленной обычными
способами.
Что же дает электродов? Труд рыбаков, выбираю-
щих сети и в ледяную стужу и в летний -зной, очень
нелегок и опасен. Электродов, полностью механизи-
руя и автоматизируя ловлю рыбы, совершенно осво-
бождает рыбаков от многих трудностей.
Электродов полностью спасает молодь, потому что
слабый ток, парализующий природный инстинкт круп-
ных рыб—стремление итти против течения воды, недо-
статочен, чтобы произвести тот же эффект у мелкой
279
рыбы. При помощи электричества можно ловить ры-
бу в любую погоду, в любое время года.
Опыты на моделях показали, что бессетевой элек-
трический лов с одинаковым успехом пригоден и для
пресных и для морских водоемов. Однако в море нуж-
на большая мощность установки, и сейчас еще труд-
но судить об экономичности морского электроневода.
Создание зоны, насыщенной электричеством,—муд-
реная вещь, когда речь идет о больших открытых про-
странствах моря, рек и озер. Чтобы лов шел удачно,
рыбу надо концентрировать на определенных участ-
ках. В этом отношении большую помощь оказывают
свет, звук, некоторые химические вещества. Важно
только привлечь рыбу к той зоне, где действует элек-
трический ток. Попав в нее, рыба сама плывет в зев
рыбонасоса, качающего ее прямо в трюм траулера
рыболовной флотилии.
На реке Озерной, на Камчатке, Н. Ф. Чернигин
вместе с научными работниками Камчатского отделе-
ния Тихоокеанского института рыбной промышленно-
сти и океанографии соорудил крупную модель для
исследования электроневода. В протоке Озерной
устроили десятиметровый проход из металлических
стержней, к которым присоединили минус источника
электричества. В центре прохода было расположено
входное отверстие насоса, подключенное к плюсу то-
го же источника.
Когда ток выключали или когда меняли полюса
его источника, ни одна рыба не приближалась к вса-
сывающему отверстию насоса. Зато при включении
плюса к этой трубе рыба тотчас же устремлялась
сюда, словно она мгновенно попадала на невидимые
крючки, унизывавшие невидимые лески. Расчеты по-
зволили определить средний улов, даваемый электро-
неводом: 600 центнеров рыбы в час.
Благодаря опытам Н. Ф. Чернигина уже известно,
что электричество пригодно не только для электроло-
ва, но и для создания «садков» для живой рыбы.
Решетки, установленные на дне реки или моря,
свободно пропускающие рыбу, делаются для нее
непреодолимым препятствием, если через металл про-
280
пускать очень слабые пе-
ременные токи. Таким же
способом можно отпуги-
вать рыбу от опасных для
нее мест, или от входов
в различные установки,
отнюдь не рассчитанные
на ловлю рыбы, например
гидротурбины.
Огромный размах гид-
ростроительства на наших
крупнейших европейских и
сибирских реках потребо-
вал серьезнейшего внима-
ния к сохранению рыбных
запасов страны. На излюб-
ленных путях рыбы, с не-
запамятных времен от-
правляющейся метать ик-
ру в Волгу, Дон и другие
реки, возникли и возни-
кают непреодолимые пре-
пятствия — плотины, шлю-
зы, гидроэлектростанции.
Для рыб понадобилось
строить обходные дороги!
Раньше рыбоходы
строили, основываясь на
«рациональных соображе-
ниях». Но рыба, незнако-
мая с этими соображения-
ми, отказывалась итти пу-
гавшими ее обходными
путями и просто поворачи-
вала обратно, наткнув-
шись на препятствие, или
же гибла, упорно стараясь
преодолеть его. Есть ры-
бы, которые как будто со-
знательно кончают жизнь
самоубийством, — убедив-
281
шись, что дальше итти некуда, они выбрасываются на
берег. В действительности тут они подчиняются сле-
пому инстинкту, побуждающему их перескакивать пре-
пятствия.
Узнав на опытах, что создать рыбоход дело дале-
ко не простое, гидротехники уже много лет назад на-
чали строить модели «лифтов» для рыб, тщательно
изучая повадки и особенности этих довольно каприз-
ных пассажиров.
В удивительных моделях главнейшей «деталью»
служат небольшие рыбки. Вот они плывут стайкой
в длинном прозрачном резервуаре. Сбоку вспыхнула
электрическая лампочка, и ее свет узким лучом про-
низал воду. Рыбки, словно птицы, увидевшие ночью
свет маяка, устремляются к лучу. Начинает работать
насос и создает течение воды в резервуаре. Рыбы, как
будто подчиняясь неслышным сигналам, трогаются
в путь по невидимой трассе, реагируя на толчки едва
ощутимого течения.
Так на моделях исследуются различные способы
безвредного побуждения рыб итти по указанной им
дороге в обход гидротехнических сооружений.
Решая проблему сохранения рыб, гидротехники
построили модель усовершенствованного обходного
пути для рыбы — водяную лестницу. Это ряд малень-
ких бассейнов, поднимающихся все выше. Они слу-
жат ступенями, которые рыба преодолевает довольно
легко, ведь она не только плавает, но и отлично пры-
гает. Лосось, например, перепрыгивая препятствия,
делает прыжки до 2 метров. Слабые и мелкие рыбы
могут двигаться по водяной лестнице, не прыгая со
ступеньки на ступеньку, а пробираясь специальными
зигзагообразными ходами.
Опыты с моделями-рыбоходами открыли много
неизвестного даже ихтиологам. Одни рыбы всегда
предпочитают правый берег реки, другие — левый.
Одни, двигаясь в темноте, быстро сворачивают на
свет, другие равнодушны к свету или даже предпочи-
тают темноту.
Исследования, проведенные академиком В. В. Шу-
лейкиным и Н. Ф. Чернигиным, показали, что рыбы
282
очень чувствительны к электрическому току: они бы-
стро сворачивают в сторону, попав в зону, где ощу-
щается электрическое напряжение. Это надоумило
воспользоваться электрическим током для создания
направляющих «подводных аллей» из электризованных
тросов: избегая приближения к тросам, рыбы идут
прямо к рыбоходу.
Вот маленькое сооружение, напоминающее вершку.
Это модель входа для рыб, подошедших к плотине.
Такая «верша» — как бы автоматически захлопываю-
щиеся ворота специальных «садков», устроенных
в обход плотины.
В этот садок рыба попадает, потому что у нее нет
другого пути вперед. Чтобы избавить подводных пу-
тешественниц от метания туда и сюда, важно сразу за-
манить их в спасительную западню. Опыты на моде-
лях показали, что в ночное время хорошей приманкой
должны служить «подводные маяки» — мощные элек-
тролампы.
Но этого мало. Чтобы рыба не задерживалась
в садке, не металась в нем, придумана еще одна
деталь модели: металлическая решетка, движущаяся
в воде, как бесконечный ремень. Эта решетка играет
роль «поршня», осторожно подкачивающего в нужном
направлении рыбу, попавшую в садок. Самое труд-
ное — выбор наиболее подходящего «лифта», под-
нимающего рыбу на «второй этаж», на уровень
воды, подпертой плотиной. Что для этой цели может
быть лучше самой воды, поднимающейся вместе
с рыбой?
В маленькой шахте, куда разными способами
загоняются рыбы, уровень воды поднимается выше и
выше. Всплывают и рыбы, инстинктивно подчиняясь
толчкам воды, побуждающим двигаться куда-то,
может быть, наконец, к выходу на свободу.
Звено за эвеном изучается сложная цепь, служа-
щая для спасения рыб, привлеченных инстинктом
к преграде, образованной плотиной. На комнатных
моделях определяется отношение рыб к различным
побудительным средствам. Изучается безопасность
этих средств, чтобы они не могли превратиться в мя-
283
сорубку, выбрасывающую в верхнее течение дохлую,
поврежденную рыбу.
Снова и снова делаются опыты, размеры отдель-
ных деталей все увеличиваются. И вот вместо ма-
леньких модельных установок сооружается грандиоз-
нейший рыбоход. Тоннель, подводящий, например,
рыбу из Дона к садку для дальнейшего принудитель-
ного путешествия вверх, имеет длину ПО метров,
а ширину — 6 метров.
Садок — целый дом, а верша, препятствующая
обратному выходу из него, представляет собою боль-
шое сооружение. Огромных размеров побудительная
решетка, доходящая до дна садка, гонит его пленни-
ков вперед. Она медленно, словно боясь ударить
кого-нибудь, выжимает рыбу в водяную башню —
шахту, постепенно наполняемую водою. Решетка вол-
нует воду в шахте и гонит рыбу, вздумавшую задер-
жаться в «лифте».
Попавшая в садок, заманенная туда огнями или
другими приманками, рыба уже не может вернуться
обратно — выход ей заграждается железной вершей.
Не могут пленники садка и оставаться в нем.
Для автоматического управления всеми механиз-
мами рыбьего лифта и для освещения «подводных
маяков» работает отдельная турбина мощностью
в 5 тысяч киловатт.
Труды по созданию уникального рыбохода вполне
оправдались: рыбам, плывущим вверх по Дону, обе-
спечены все удобства. Они это оценили и, повидимо-
му, охотно пользуются «механизированной пересад-
кой» у Цимлянского моря.
МОЛНИЯ в ЛАБОРАТОРИИ
В пьесе А. Н. Островского «Гроза» в самый дра-
матический момент Катерина кричит под громовые
раскаты и вспышки молнии:
— Ад, ад! Геенна огненная!..
Островский не случайно прибег к эффекту грозы.
Это явление природы всегда принималось необразо-
ванными людьми за выражение гнева какого-то вые-
284
шего существа, имеющего власть карать и миловать.
Убитый молнией человек считался наказанным, страш-
ным грешником. Если погибал ребенок — значит за
грехи родителей.
Ученые уже давно старались доказать, что гроза
и молния — всего лишь обычные явления природы
и их можно воспроизводить искусственно, хотя и не
в таких грандиозных масштабах. Ломоносов, Рихман
Франклин, отвергая «божественную природу» молнии.
указывали возможные пути ее познания.
Давно начались и попытки создания искусствен-
ной лабораторной молнии. Теперь в СССР с особен-
ным успехом моделированием молнии занимается
лаборатория высоковольтного газового разряда Энер-
гетического института имени Г. М. Кржижановского.
Профессор И. С. Стекольников добился больших до-
стижений и в конструировании специальных устано-
вок для изучения модели молнии и в создании тео-
рии, связанной с высоковольтным разрядом.
Опыты с электрическими токами сверхвысокого на-
пряжения всегда вызывают у зрителей особое на-
строение. Когда приходится видеть, как человек при
испытании, например, электрических деталей на заво-
де заученным движением несколько раз смотрит,
включен или выключен рубильник, находящийся
в трех шагах за его
спиною, начинаешь и
сам с недоверием погля-
дывать на аппаратуру.
И на первое прикосно-
вение исследователя
к опасной детали сердце
отзывается неприятным
толчком. А тут, в лабо-
ратории высоковольт-
ного разряда, человек
буквально становится
на пути молнии.
В высокий купол
лаборатории уходят
массивные пластины.
Одна из первых моделей установ-
ки для получения искусственных
молний.
285
Сбоку и снизу они кажутся огромными ступенями лест-
ницы. Отчасти это и есть лестница, по которой искус-
ственные молнии спускаются на землю.
Сверхвысокое напряжение, необходимое для по-
лучения молнии, — несколько миллионов вольт —
накапливается на пластинах гигантских конденсато-
ров, помещенных в куполе лаборатории. Заряд одного
конденсатора требует напряжения, соответствующего
примерно напряжению этого же конденсатора. Но стоит
соединить заряженные конденсаторы последователь-
но, и напряжение цепи повысится во столько раз,
сколько конденсаторов соединено один за другим.
На этом принципе и основано получение высоковольт-
ного разряда от генератора импульсных напряжений
(ГИН), работающего в Лаборатории высоковольтно-
го разряда. ГИН подвешен на высоте 26 метров,
искусственная молния должна обладать достаточной
длиной.
Странно видеть, как постепенно приближается
к этому опаснейшему электрическому источнику тока
подвешенная на тросе кабина из металлической сетки/
Трос перестал наматываться на барабан, клетка
с наблюдателем на месте. После сигнала «пригото-
виться» проходит несколько секунд в полной тишине,
понятной только людям, отвечающим за то, чтобы
здесь, в лаборатории молнии, все было в порядке.
Каждый в эти несколько секунд проверяет себя.
Дальнейшее можно уподобить близкому разрыву
бомбы: на миг как будто выключается сознание и
видишь только, что молния словно обволокла кабину
и метнулась вниз, в пол лаборатории, покрытый ме-
таллическим листом.
С непривычки хотелось бы отдохнуть после пер-
вого же разряда. Но вот уже с грохотом следуют
другой, третий, четвертый. Начинает казаться, что
птичья клетка с наблюдателем раскачивается, что она
сейчас сорвется вниз.
Зачем же понадобилось помещать человека в таком
неуютном соседстве с молнией? В клетке-кабине уста-
новлены главные приборы для наблюдения за поведе-
нием модели молнии — осциллографы — аппараты,
286
Исследование модели здания МГУ в лаборатории.
дающие возможность наблюдать и записывать быстро
протекающие электрические явления.
Наблюдатель в клетке следит за осциллографами,
не подвергаясь опасности, хотя между ним и полом
лаборатории несколько миллионов вольт и тут же
неподалеку тянется провод, несущий ток силой до
1 000 ампер (а человека убивает ток силою в 0,1 ам-
пера!).
Все это объясняется очень хорошей изоляцией
исследователя от земли. Точно так же не испытывает
никаких неприятных воздействий птица, сидящая на
проводах наших высоковольтных передач, по которым
идет ток до 220 тысяч вольт.
Подобие молнии и электрических искр должно
быть не только геометрическим. Должны быть по-
добны и все физические процессы при возникновении
естественной и искусственной молний.
У молнии огромная длина. Модель молнии короче
в сотни или даже в тысячи раз. Но если пространство,
в котором действует электрическая искра, уменьши-
лось, меньше должно стать и время, в течение которо-
го развивается процесс. Весь разряд должен совер-
шаться в сотни и тысячи раз быстрее, чем в природ-
ных условиях, то-есть соответствовать уменьшению
масштаба при моделировании. Лабораторная молния
гораздо «скорострельнее» естественной.
В природных условиях молнию снимают на фото-
пластинки. В лаборатории развитие электрической
искры надо искусственно затормаживать, чтобы
успеть получить ее фотографию. И. С. Стекольников
поставил для этого на пути электрического тока
«преграду» — увеличил электрическое сопротивление
цепи, в которой идет высоковольтный разряд. Меняя
величину сопротивления, в лаборатории удается тор-
мозить скорость разряда, который называется лидер-
ным и который как бы прокладывает канал для глав-
ного, опаснейшего разряда, уже отличающегося в не-
которых случаях огромной силой тока. Разделение
этих разрядов очень важно для ученых.
Ток высоковольтного разряда идет по металличе-
скому стержню, подвешенному над металлическим
288
листом на полу лаборатории, и расстояние между
ними называется разрядным промежутком. Этот стер-
жень — тормозное сопротивление.
Осциллограф в кабине наблюдателя позволяет
судить о всем процессе высоковольтного разряда:
и о сравнительно медленном зарождении лидера и
о стремительном ударе, идущем по главному каналу
разряда. Но для более точного и подробного исследо-
вания процесса в главном канале служит еще один
осциллограф, на полу лаборатории. Разряд в главном
канале продолжается только десятимиллионные доли
секунды, и понятно, сколько понадобилось находчиво-
сти, знаний и изобретательности, чтобы успеть
использовать для науки этот поистине молниеносный
промежуток времени.
Вместе с осциллографом действует и особый фото-
аппарат, установленный на определенном расстоянии
от разрядного промежутка. «Молния» снимается
двумя фотоаппаратами. В одном из них пленка вра-
щается перед объективом со скоростью 15—18 тысяч
оборотов в минуту. Это позволяет на фотопленке за-
регистрировать на расстоянии в 1—3 сантиметра и
лидер и сам главный разряд.
Но еще более важные результаты дают снимки,
производимые фотоаппаратом, совершенно лишенным
движущихся деталей. Здесь применен «электрический
затвор» — свет самой искры разряда. Этот затвор
снимает с выдержкой в несколько миллиардных долей
секунды. Действие его основано на том, что некото-
рые химические вещества под влиянием электриче-
ских сил мгновенно перестают пропускать свет, про-
ходящий через объектив фотоаппарата.
На полученных снимках видно все, что происходит
в разрядном промежутке. Вот пронесся лидер, про-
чертив огненную дорожку, а вот и путь главного
«удйра». Лидер можно сравнить с трассирующей пу-
лей, а главный разряд — с крупным снарядом. Тольке,
как это ни странно, «снаряд» летит не сверху вниз,
вслед за «пулей», а с «земли» в «небо», с пола в купол
лаборатории. И в природных условиях положитель-
ный заряд, накопившийся в земле во время грозы,
19 Тайны моделей
289
устремляется к тучам по дорожке, проложенной для
него лидером.
Изучение искусственной молнии прежде всего
нужно для разработки все лучших и лучших методов
защиты жизни людей и сооружений от ударов настоя-
щей молнии. Но и сам по себе высоковольтный раз-
ряд сейчас нуждается в тщательных исследованиях,
гак как это помогает понимать, что происходит
в современных линиях передачи электрической энер-
гии и в других установках. Изучение высоковольтного
разряда дает возможность лучше бороться с помеха-
ми радиоприему, защищать электрические детали от
опаснейшей аварии — пробоя.
Молния уже давно исследуется в природных усло-
виях. Для этого созданы особые регистрирующие и
записывающие приборы. Они позволяют судить о том,
как высоковольтный разряд происходит «на воле».
Эти приборы и другие средства науки открыли,
что наибольший ток высоковольтного разряда, изме-
ренный в СССР, достигает 2 300 тысяч ампер. Огром-
ная сила тока! Но разряды порядка сотен тысяч ам-
пер — особенно опасные — происходят редко. Они
составляют только примерно 2,5 процента всех реги-
стрируемых и записываемых разрядов.
Для изучения молнии в природных условиях под
руководством профессора И. С. Стекольникова на тер-
ритории СССР создано много полевых лабораторий.
Но хотя молнии и не редкость, изучать их трудно, по-
тому что появление и исчезновение их не зависит от
экспериментатора. Только овладев искусством созда-
вать молнии «по заказу», исследование можно вести
систематически в определенных условиях.
Благодаря изучению модели молнии в различных
научно-исследовательских организациях страны Энер-
гетический институт Академии наук СССР собрал
богатейший материал для проектирования защиты от
молнии всевозможных сооружений.
Большой -интерес представляет защита от грозы
высотных зданий. Удар молнии обыкновенно прини-
мают на себя сооружения, возвышающиеся над дру-
гими. Защита от молнии здания Московского Госу-
290
дарственного университета на Ленинских горах была
разработана Энергетическим институтом, причем тут
очень важную роль сыграло моделирование.
Исследователи построили модель здания универ-
ситета в 7юо натуры и поместили ее под генератор
импульсных напряжений. Надо было установить, куда
преимущественно будут ударять молнии. Удары при-
ходились в самые высокие части, но некоторые точки,
хотя и находящиеся почти на одной и той же высоте
над землей, оказалось, явно полюбились лаборатор-
ной молнии.
Высоковольтный разряд — очень сложное явление.
На него сильно влияют различные побочные условия,
в том числе близкие сооружения, деревья, скалы.
Одни испытания на моделях еще не дают полной га-
рантии, что .защищенный объект будет навсегда на-
дежно «прикрыт» системой молниеотводов.
Помимо испытаний на моделях, специалисты при-
бегают к сложным и кропотливым расчетам, основан-
ным на физической сущности высоковольтного разря-
да в газах.
До сих пор еще мало изучено такое опасное явле-
ние, как шаровая молния. Она плывет в воздухе слов-
но живой сгусток электричества. Создать такое стра-
шилище в лабораториях не удается. Эта проблема —
одна из очень интересных.
Советские ученые и инженеры успешно борются
с молниями и заняли ведущее место в технике мол-
ниезащиты зданий и таких сооружений, как линии
электропередачи и телефонные линии.
В связи с моделированием молнии не лишне упомя-
нуть, что в нашей стране ученые добились интересных
достижений, моделируя дождь. Конечно, сейчас еще
очень далеко от искусственного вызывания дождя,
когда он необходим, или до предупреждения ливня,
когда он совсем не нужен. Но при помощи различных
теоретических исследований, а также благодаря ра-
ботам на моделях в специальных камерах советские
ученые выяснили, какие обстоятельства благоприят-
ствуют началу дождя или предупреждают его.
«Дождевые модели» позволили узнать, почему
19*
291
одно облако отдает свою влагу земле, а другое рав-
нодушно проплывает над почвой, жаждущей воды.
При изучении «модели дождевых облаков» ученые
проделали очень тщательный анализ капелек воды,
взвешенных в воздухе, выяснили, какую роль играют
электрические заряды, связанные с образованием ка-
пель, превращающихся в дождь. Несомненно, люди
научатся по своей воле управлять погодой, навсегда
покончив с засухой, и с несвоевременными ливнями,
причиняющими большие убытки во время уборки уро-
жая.
Моделирование здесь имеет особое значение, ибо
мудрено исследователям по своей воле орудовать на-
стоящими облаками, которые на юге к тому же боль-
шая редкость.
ЭНЕРГИЯ АТОМА
Жизнь моделей бывает чрезвычайно разнообраз-
на. Иногда она начинается с какого-нибудь примитив-
ного устройства, постепенно усложняющегося, обра-
стающего все новыми и новыми деталями. Порою
первая маленькая модель свидетельствует о больших
заблуждениях ее авторов, и требуется потом много
времени и труда, чтобы конструкторы нащупали вер-
ный путь. «Путевку в жизнь» модели может дать и
расчет, и эскиз, и даже беглое описание главных
черт, которыми должна обладать модель.
В этом отношении интересна судьба моделей-уста-
новок, в том или другом виде использующих энергию
атома. Еще до второй мировой войны в одном из за-
рубежных журналов появилось описание «модели»
атомной установки.
Освобождение энергии атома, которая может
быть применена человеком для различных целей,
происходит при распаде атомов металла урана 235.
Распад вызывается цепной реакцией, то-есть такой,
когда атомы разрушаются один за другим, «осколка-
ми» самого вещества, и атомные взрывы, словно звенья
цепи, идут непрерывно один за другим.
Распад урана сопровождается вылетом свободных
нейтронов — частиц его ядра. Свободные нейтроны
292
могут двигаться различно—бы-
стро и медленно. Быстрые ней-
троны летят с очень большими
скоростями. Медленные нейтроны
по сравнению с быстрыми бук-
вально' ползут.
Нейтроны играют роль снаря-
дов, бомбардирующих ядра
атомов, и быстрые частицы не го-
дятся для разрушительной стрель-
бы по урану 235: здесь мы стал-
киваемся со случаем, когда от
мишени зависит действенность
огня. Ядро затягивает летящие
частицы. Быстрые нейтроны, про-
бив ядро, пролетают дальше сво-
им путем, а медленные «затягива-
ются» ядром и вызывают его
распад на части. В атомных уста-
новках для торможения нейтро-

• йыетрый нейтрон
о медленный нейтрон
Действие быстрых и
медленных нейтронов
на ядра урана 235 и
238.
нов служит среда — замедлитель.
Сейчас в качестве тормозящей среды обычно приме-
няется графит или вода. Благодаря выделению энер-
гии, освобождающейся в огромных количествах при
разрушении ядер урана 235, происходит сильное по-
вышение температуры, которое может-, использоваться
как мощный источник нагрева.
«Журнальная модель», неведомый автор которой
сделал попытку показать путь создания источ-
ника энергии, где работал бы атомный распад, уже
обладала необходимыми деталями атомного котла.
Она представляла графитовый блок, заряженный
ураном 235. Графит должен был тормозить быст-
рые нейтроны и обеспечивать развитие цепной реак-
ции.
Для предупреждения взрыва атомного котла в мо-
дели предусматривался предохранитель — стержень
из кадмия, настолько уменьшающий поток нейтронов,
что разрушительная реакция приостанавливается:
свободных нейтронов в блоке делается так мало, что
они уже не попадают в ядра урана и не могут вызвать
293
цепную реакцию распада. Управление котлом заклю-
чается в очень простой операции — вдвигании или
выдвигании кадмиевого стержня.
Кто же был творцом этой необыкновенной модели,
хотя и «бумажной», но с некоторыми подробностями
собравшей воедино черты будущей атомной установ-
ки? Уж, конечно, не сам автор заметки. Типичный
охотник за сенсацией, он, наверное, получил за нее
только немного денег. Не умудрился он и проникнуть
в тайники чьей-то научной работы и «популяризиро-
вать» идею установки, создание которой потом было
покрыто величайшей государственной тайной и на-
всегда связалось с одним из самых трагических мо-
ментов в истории науки. Дело обстояло проще.
Еще за несколько лет до создания первой атомной
бомбы журналы и газеты запестрели заметками и
статьями, в которых весьма крупные ученые высказы-
вали свои взгляды на атомную энергетику, на возмож-
ность в более или менее скором времени расщепить
ядро атома. Никто не считал этого дела секретным.
«Слишком далека возможность практической реа-
лизации», — говорили ученые. Стоит здесь припо-
мнить высказывание английского физика Резерфорда,
сделавшего весьма много исследований, которые по-
могли разрушению ядра атома. Он писал, что нельзя
и мечтать о каком-то практическом применении атом-
ной энергии раньше чем через 100 лет, то-есть при-
мерно в 2030—2035 годах!
А лет через двадцать после заявления Резерфорда
расщепление ядра атома нашло применение в атомной
бомбе.
Резерфорд отнюдь не относился к ученым-песси-
мистам, мало верящим в возможности современной
науки. Но, во-первых, ему и в голову не приходила
мысль о том, что «атомщики» будут работать на взрыв
бомбы, а во-вторых, прогресс науки и техники теперь
идет так быстро, что ошибка в оценке значения того
или другого научного достижения вполне возможна.
Генрих Герц, открывший радиоволны, даже сер-
дился, когда ему говорили, что его открытие может
иметь и практическое значение. Между тем нужно
294
было совсем немного лет, чтобы на этих волнах зара-
ботала первая установка изобретателя радио
А. С. Попова.
Ученые всего мира трудились, стараясь проник-
нуть в тайну атома, и результаты своих работ широ-
ко публиковали, не скрывая успехов, сомнений, не-
удач и надежд. К 1940 году, в сущности, в теории
все было уже готово для начала экспериментов по
использованию атомной энергии.
Вот почему описание атомного котла, появившееся
до начала второй мировой войны, мало чем отлича-
лось от подобных же описаний, раскрывавших «атом-
ный секрет» уже после взрыва в Хиросиме и Нага-
саки.
«Бумажную модель» атомной установки разгля-
дывали читатели разных стран. И многие из них,
вероятно, покачивали головами, с усмешкой говоря:
«И для каких только фантастических проектов не жа-
леют люди бумаги и чернил! Все только ради того,
чтобы я купил журнал, привлеченный ярким рисун-
ком — моделью, описанной с такой уверенностью,
словно уже завтра силы атома подчинятся человеку».
Может быть, читали журнал и жители Хиросимы
и Нагасаки, не подозревая о страшной участи, кото-
рую подготовляла им эта модель.
Хотя в основном процесс распада атомов, вызы-
ваемый по желанию человека, и был теоретически
обоснован, но практические затруднения на этом пути
оказывались чрезвычайно большими. Ключ ко всему
представляла цепная реакция не на бумаге, а в ра-
ботающем атомном котле.
Эта атомная цепная реакция — нечто вроде взры-
ва склада снарядов, где последовательно рвутся груп-
пы снарядов. Если сначала взорвалось десять снаря-
дов, а потом девять, восемь, семь и т. д., ясно, что
склад весь не взорвется. Наоборот, если после десяти
снарядов взорвутся одиннадцать, двенадцать и т. д.,
склад весь взлетит в конце концов на воздух. Матема-
тически это выражается «коэффициентом размноже-
ния», определением которого и занялись американ-
ские ученые, призванные создать атомную бомбу.
295
Схема атомного котла.
Чтобы коэффициент размножения, определяющий
характер реакции, обеспечил взрыв «всего склада»,
этот коэффициент должен быть больше единицы:
только тогда первые десять взорвавшихся снарядов
могут обеспечить взрыв следующих одиннадцати, две-
надцати...
Если о роли моделирования в развитии той или
другой отрасли техники или науки могут быть два
мнения, то значение моделирования в создании уста-
новок для освоения атомной энергии неоспоримо. Эти
установки не могли бы появиться без предваритель-
ных долгих экспериментов на моделях. Моделирова-
лись установки для расщепления атомов урана, моде-
лировались методы защиты от опаснейших излучений,
автоматика и телемеханика, при помощи которых
ведется управление работой атомных котлов. Модели-
ровалась сама бомба, ее механизм. Нельзя было
296
обойтись и без моделирования взрыва. Ведь были
даже среди создателей первой атомной бомбы люди,
сомневавшиеся, не пойдет ли цепная реакция с адской
скоростью и не охватит ли она весь земной шар, пре-
вратив его только в лавину распадающихся атомов.
В 1941 году в Колумбии построили первую модель
котла с решеткой из урановых блоков, помещенных
в графите. Это было совсем маленькое сооружение.
Куб графита имел ребра длиной в 2,5 метра, и содер-
жалось в нем только около 7 тонн окиси урана. Опы-
ты велись главным образом для определения «коэф-
фициента размножения». Он получался меньше еди-
ницы. Цепная реакция не развивалась.
Неудачу объяснили недостаточной чистотой ура-
на и графита. Опыты не прекратили и параллельно
вели их на других моделях.
В 1942 году в Чикаго в «Металлургической лабора-
тории» впервые заработала модель атомного котла.
Мощность этой лабораторной модели была ничтож-
на — 0,5 ватта. Затем ее подняли до 200 ватт. Работа
атомного котла в «Металлургической лаборатории»
доказала, что «коэффициент размножения» может
быть больше единицы. Цепная реакция стала реаль-
ностью.
Исследования модели первого атомного котла
мощностью в 2 тысячи ватт сделали ясным, что, огра-
ничиваясь такой мощностью, заготовлять взрывчатое
вещество для одной атомной бомбы надо будет чрез-
вычайно долго — примерно 70 тысяч лет. Сократить
этот срок можно было, только в громадных размерах
увеличивая мощность, потребляемую котлом, — до
1 500 тысяч киловатт.
Масштаб увеличения установки от 0,2 киловатта
до 1 500 тысяч киловатт чудовищный: 7 500 тысяч. По-
строили еще одну модель атомного котла, в Клинтоне
(штат Теннесси), мощностью в 1 000 киловатт. После
ряда опытов на ней началось проектирование уже
промышленной установки — в Хэнфорде.
Один из активнейших участников разработки
атомного оружия писал потом, что в мирное время ни
один ученый или инженер, находящийся в здравом
297
рассудке, не принял бы такого громадного увеличе-
ния масштаба — более миллиона раз, и даже во вре-
мя войны только надежда получить решающий
результат могла кое-как оправдывать подобный риск.
Будет ли работать огромный котел, потому что рабо-
тала его модель (при этом отличавшаяся по типу)
в миллион раз меньшая? Уверенность в этом имела
весьма шаткие основания.
Промышленная установка в Хэнфорде строилась
после ряда опытов на специальных моделях — ло-
кальных. Эти модели, представлявшие часть соору-
жения, были необходимы, потому что никто не знал,
как будут итти самые основные процессы, например
получение урана 235.
Очистка урана 235 от сопутствующего ему ура-
на 238 должна была производиться при помощи
«процеживания» газообразных продуктов, содержа-
щих уран, сквозь целый ряд огромных пористых
перегородок. Если эти перегородки уложить рядом,
они покрыли бы площадь более четырех тысяч квад-
ратных метров. Для «процеживания» урана сквозь
все эти перегородки требовались тысячи весьма мощ-
ных насосов.
Модель № 1 имела 12 ступеней из перегородок и
была оснащена довольно мощными насосами. На ней
испытали, как будут работать перегородки, как мож-
но будет на действующей установке производить из-
мерения давления.
Увеличив масштаб модели, но ограничив число
ступеней шестью, исследователи испытали на моде-
ли № 2 центробежные насосы такого типа, какие
должны были работать на промышленной установке.
Потом появились модели № 3, За, 36. Последняя
модель могла уже служить в качестве опытной уста-
новки для одной из секций промышленного сооруже-
ния.
Опыты на моделях — иначе эти маломощные уста-
новки назвать нельзя — показали ценность различ-
ных методов получения чистого урана 235. Так,
прежде чем построить атомный завод в Клинтоне, на
котором уран 235 обогащался при помощи электро-
298
магнитного отделения его атомов от атомов урана 238,
было проведено много опытов на моделях в Беркли.
При помощи моделирования в дальнейшем были
найдены новые типы котлов — так называемых гомо-
генных, в которых и распадающееся вещество и тор-
мозящая среда перемешаны друг с другом: соль
урана, например, равномерно растворяется в воде.
Особой серии ответственнейших опытов с моделями
потребовала сборка атомной бомбы. Нетрудно пред-
ставить себе, сколько внимания было уделено этим
вопросам, и тем не менее при первом испытании атом-
ной бомбы, 16 июля 1945 года, в Нью-Мексико части
бомбы в руках профессора Р. Вечера отказались
соединяться: одна застряла в другой и не становилась
на место.
Авраам Линкольн, один из замечательнейших лю-
дей Америки, сказал в свое время, что нет дурных
вещей, а есть злоупотребление хорошими вещами, и
главное зло заключается в этом.
Атомная энергия вначале была применена не на
благо человечества, а для зла, не виданного еще ни-
когда во всей истории.
Военно-морское ведомство США решило в 1954 го-
ду спустить на воду первую атомную подводную лодку
«Наутилус». Для ускорения работ на Гротонской вер-
фи сделали модель «Наутилуса» и привезли туда
деревянную модель атомного двигателя «STR» —
морского теплового ядерного реактора. Кроме того,
делается еще реактор «SIR».
В реакторе типа «SIR» не все нейтроны замед-
ляются, и поэтому он носит название промежуточного
по сравнению с реакторами, в которых нейтроны со-
вершенно не замедляются или замедляются так, что
их движение можно сравнивать со скоростью тепло-
вого движения. По замыслу конструкторов теплоно-
сителем в «SIR» должен быть жидкий металл. Это
по расчетам значительно уменьшает габариты двига-
теля.
Военно-морское ведомство потребовало от Поль-
ской лаборатории сначала постройки стационарного
двигателя «SIR». После испытания стационарной
299
модели будет построен настоящий двигатель для вто-
рой атомной лодки — «Морской волк», корпус кото-
рой сооружается на той же Гротонской верфи.
Работы по постройке подводных атомных лодок
в США шли медленно. Это отчасти объясняется, оче-
видно, тем, что атомный двигатель, даже предназначен-
ный для подводной лодки, может быть использован
для мирных целей. Но это не в интересах некоторых
кругов США. Видный американский специалист по
атомным реакторам Юджин П. Вигнер сказал про
американскую комиссию по атомной энергии: «Больше
всего комиссия заинтересована в том, чтобы по-
строить реактор, неспособный работать».
Этим Вигнер намекал на боязнь владельцев «фаб-
рик» современных источников энергии, что атом будет
грозным конкурентом уже существующих установок
для получения тепла, света и энергии.
Советские ученые к решению проблемы атома шли
своим собственным путем. Широкое изучение цепных
реакций, начатое задолго до войны, быстро позволи-
ло создать теорию цепного деления урановых ядер.
Проникнув в самые недра микромира незримых гла-
зом частиц, наши атомщики открыли все важнейшие
особенности цепного распада, нашли величины, кото-
рые нужно знать для определения коэффициента раз-
множения. Первые ядерные реакторы делались
в СССР из графитовых призм с отверстиями для ура-
новых блоков. В момент пуска первого советского
атомного котла ученые с радостью обнаружили, что
работа этого невиданного источника энергии происхо-
дит необычайно плавно и весь процесс распада ато-
мов регулируется очень легко.
В дальнейшем даже оказалось, что атомные котлы
большой мощности обладают замечательной способ-
ностью: они саморегулируются.
От «кучи графита с ураном», как образно назвал
первые атомные котлы В. С. Фурсов, советские физи-
ки-ядерщики пришли к новейшим котлам. Это уже
сложное сооружение, снабженное многими деталями
управления и контроля. На сессии отделений Акаде-
мии наук СССР, происходившей в июле 1955 года и
300
посвященной использованию атомной энергии в мир-
ных целях, член-корреспондент Академии наук СССР
И. М. Франк подчеркнул роль уран-графитовых моде-
лей в исследованиях работы атомных реакторов.
Опыты с этими моделями позволили выяснить различ-
ные важные закономерности в физических явлениях,
связанных с размножением нейтронов в уран-графи-
товых реакторах.
Кроме уран-графитовых реакторов, в Академии
наук СССР делаются и другие установки, в которых
нейтроны замедляются тяжелой водой и обычной во-
дой. Исследования в области атомной энергетики про-
водятся у нас широким фронтом, и основная цель
их — использование ядерной энергии для электрифи-
кации и теплофикации. Не случайно поэтому то-, что
первая атомная электростанция пущена в Советском
Союзе. Она успешно работает, отдавая свою энергию
для мирных целей. Не делая тайны из своего дости-
жения, СССР знакомит с ним дружественные страны
в порядке обмена опытом, чтобы и они могли поль-
зоваться неистощимым даром природы — атомной
энергией.
Масштабы применения этой энергии поистине
безграничны. Техника, наука, сельское хозяйство, ме-
дицина уже прибегают к помощи веществ, делающих-
ся радиоактивными благодаря обработке их излуче-
ниями атомных реакторов.
Здесь источником энергии уже служат не сами
распадающиеся атомы урана — обращение с ними
требует слишком много хлопот, а «заряженные» в их
поле различные вещества, сделавшиеся радиоактив-
ными. Есть мощная советская установка «ГУТ-400»,
применяющаяся для лечения злокачественных опухо-
лей и других болезней. В «ГУТ-400» заложены
400 граммов кадмия, получившего радиоактивные
свойства после облучения энергией распадающегося
урана. Сколько понадобилось экспериментов с моде-
лями установки, прежде чем она могла быть пущена
с уверенностью, что излучения не будут вредить об-
служивающему персоналу, что они сосредоточат свою
силу на опухоли, а не на здоровой ткани.
301
Моделируются и устройства, в которых атомная
энергия непосредственно превращается в электриче-
скую. Сейчас эти модели дают токи ничтожной силы,
но, являясь моделью, открывают в электротехнике со-
вершенно новые пути.
Вот как строится модель, дающая ток высокого
напряжения. Любое радиоактивное вещество наносит-
ся на металлический шарик. Электроны, вырываю-
щиеся из этого «атомного слоя», летят на довольно
большое расстояние и ударяются о внешний полый
шар, тоже металлический. При такой схеме устрой-
ства. центральный шарик, теряющий электроны, будет
плюсом электрической цепи, а внешний шар, приоб-
ретающий избыток электронов, станет минусом.
Чем скорее будет итти распад радиоактивного
слоя, тем больший ток можно получить от атомной
батареи. С уменьшением числа активных атомов си-
ла тока уменьшится, но напряжение сохранится по-
стоянным в течение всей жизни батареи, а жизнь эта
может быть невиданно долгой — двадцать лет! Два-
дцать лет не надо думать об источнике электрической
энергии, с напряжением при определенных условиях
в 10 тысяч вольт.
Модель источника электричества низкого напря-
жения строится принципиально иначе. В ней на ра-
диоактивный слой кладется полупроводник — веще-
ство, занимающее промежуточное место между про-
водниками электрического тока и непроводниками —
изоляторами. Таким полупроводником может быть
металл германий.
Электроны, вылетающие из радиоактивного слоя
с большой скоростью, ударяются об атомы полупро-
водника и выбивают из них электроны, летящие не-
сравненно медленнее. Электроны текут в полупровод-
нике в одном направлении и собираются особой ме-
таллической пластиной, приваренной к верхнему концу
полупроводника. Подобная атомная батарейка дает
напряжение в доли вольта.
Уже теперь атомные батареи могут использовать-
ся при электрических измерениях, когда очень важ-
но постоянство напряжения. Атомные источники
302
электроэнергии имеют огромное преимущество по срав-
нению со всеми другими источниками — аккумулятор-
ными или гальваническими батареями: они практиче-
ски не зависят от температуры и других внешних
условий.
Атомные реакторы дают возможность в неограни-
ченных количествах получать меченые атомы, кото-
рые все более широко применяются в моделях при
изучении на них движения твердых, жидких и газооб-
разных тел. Поваренная соль, фосфор, какой-нибудь
газ вблизи атомного реактора становятся радиоактив-
ными: их атомы словно снабжаются опознавательной
отметкой. Обнаруживаются меченые атомы мгно-
венно и очень легко. Их излучения действуют на фо-
топленку, чернеющую, несмотря на защиту от лучей
света, так как радиоактивные излучения пронизывают
защитный слой.
Другой ловушкой меченых атомов служит иони-
зационная камера. Главные ее части — изолирован-
ные друг от друга проводники, включенные в электри-
ческую цепь. Газ между этими проводниками не
пропускает электрического тока. Но когда у иониза-
ционной камеры оказывается радиоактивное веще-
ство, газ ионизируется — в нем образуются ионы
(атомы, заряженные отрицательно или положитель-
но) , прокладывающие «мостик» для электрического
тока. Это сейчас же указывается электрическими при-
борами, включенными в общую сеть.
Счетчик радиоактивных атомов применяется, когда
исследователи стараются уловить особенно слабые
излучения. В алюминиевой трубке, герметически за-
крытой стеклянным колпачком, натянута тонкая про-
волока, соединенная с положительным полюсом
источника тока. Отрицательный полюс включается
в алюминиевый корпус трубки. Если к счетчику под-
нести радиоактивное вещество, между корпусом труб-
ки и ее нитью произойдет короткий бросок тока —
импульс. Усилив его специальными усилителями, им-
пульс можно заставить подействовать на громкою-
воритель, световую сигнализацию, счетный механизм
с цифрами.
303
Счетчик так чувствителен, что обнаруживает са-
мые ничтожные количества радиоактивного вещества,
например 0,000000000001 грамма! Оценить на глаз
такое число мудрено, но это значит, что лучшие весы
в сотни миллионов раз грубее атомного счетчика.
Даже спектральный анализ, при помощи которого по
цвету пламени, испускаемого горящей частицей, судят
о присутствии тех или других тел, в 1 000 раз менее
чувствительный метод.
Вооруженный таким сверхчувствительным прибо-
ром исследователь может подстерегать малейшие из-
менения в изучаемых процессах. Вот перед ним каме-
ра, в которой движется воздух. Есть ли в ней «застой-
ные места», куда не достигают циркулирующие
струи газа? Поставим в камеру легкоиспаряющуюся
жидкость, содержащую меченые атомы. Если жид-
кость окажется в застойном месте, количество
меченых атомов, уловленных счетчиком у выхода из
камеры, будет наименьшим. Попав в «главную
струю», атомы будут регистрироваться чаще всего.
В идеальной камере, где газовый поток всюду дви-
жется равномерно, счетчик должен работать с одина-
ковой скоростью, где бы ни стояла жидкость, содер-
жащая радиоактивные атомы.
Пользуясь радиоактивным газом, впускаемым
в модель двигателя внутреннего сгорания, парового
котла, паровой турбины и вообще любого устройства,
где происходит движение газа или жидкости, можно
мгновенно установить, как в модели перемешиваются
наполняющие ее вещества. Для этого только надо
в соответствующих местах модели расположить счет-
чики меченых атомов.
При моделировании преград, разделяющих две
различные среды, очень важно знать, с какою быст-
ротой частицы жидкости или газа будут проникать
через преграду. И здесь меченые атомы могут оказать
неоценимые услуги. Благодаря необыкновенной чув-
ствительности атомные счетчики улавливают уже пер-
вых «беглецов», прорвавшихся из одной изучаемой
среды в другую.
304
Движение различных тел в жидкости в модели
возможно наблюдать только в том случае, если и
жидкость и стенки модели прозрачны. Придав изучае-
мому телу радиоактивные свойства, например‘покрыв
радиоактивным составом, можно за его движением
следить и сквозь металл и сквозь совершенно мутную
жидкость: счетчики меченых атомов будут сторо-
жить невидимого «пловца» и отмечать его приближе-
ние.
Многие модели работают «на износ», «на разру-
шение». Когда же наступят эти моменты? Регистри-
ровать их обычными приемами весьма нелегко. А за-
ложив на определенной глубине — в грунт, в метал-
лическую деталь, в пластмассу, в дерево — радиоактив-
ное вещество, можно без всяких хлопот обнаружить,
когда радиоактивные атомы, оказавшиеся на поверхно-
сти после разрушения «пустых» слоев, начнут действо-
вать на счетчики.
Атомная энергия применяется в очень многих видах
промышленности для целей исследования, для борьбы
с браком, для автоматизации процессов, для наблюде-
ния за чистотой воздуха. Широчайшие перспективы
открываются и для моделирования с помощью меченых
атомов; можно производить любые эксперименты без
непосредственного участия в них человеческих глаз
и рук.
Радиоавтография — новое слово. Оно означает,
что какой-то процесс запечатлелся на фотопленке,
причем роль фотографа играли сами радиоактивные
вещества, участвовавшие в процессе. Но меченые ато-
мы способны не только фотографировать самих себя.
Действуя на часть электрической цепи, они могут
включать или выключать мощные механизмы, наблю-
дать за состоянием и действием любой установки
более тщательно, чем самый добросовестный работ-
ник.
20 Тайны моделей
СЕГОДНЯ И ЗАВТРА
начение в науке и технике того или
другого метода далеко не всегда
определяется положением, суще-
ствующим теперь. Порою главная
роль предстоит ему в будущем. Так,
например, было с микроскопией.
Вначале на нее смотрели как на на-
учную забаву. Сейчас же трудно
представить себе научно-исследова-
тельскую работу в любой области
без микроскопа.
Какое будущее предстоит моделям, какое место зай-
мут они в науке и технике, какие задачи предстоит ре-
шить исследователям с помощью теории подобия и мо-
делирования?
Моделирование завоевывает все новые и новые об-
ласти. Но нужно сделать чрезвычайно много. Должны
улучшиться и ускориться методы моделирования. Сей-
час очень много времени, трудов и средств отнимает
сама техника изготовления моделей. Нет специальных
приборов для исследования некоторых важнейших про-
цессов.
Создание новых мощных и высокопроизводительных
машин, исследования нагрева различных частей очень
больших машин, топок, изучение процессов схватыва-
ния крупных бетонных масс, улучшение тепло- и звуко-
изоляции жилых домов, заводских и различных слу-
306
Литье по выплавляемым
моделям.
жебных помещений, строи-
тельство в районах вечной
мерзлоты, исследование
тепловых процессов, со-
провождающих все виды
обработки металла, авто-
матика и телемеханика —
трудно перечислить все
области, в которых моде-
лям еще предстоит помочь
сделать важнейшие завое-
вания.
Но главная задача мо-
делирования в настоящее
время — это получение
ответов на настойчивые
запросы сегодняшнего дня
и самого ближайшего бу-
дущего. Чтобы быстро вы-
полнить это, развитие мо-
делирования должно соот-
ветствовать развитию ос-
новных областей нашего
народного хозяйства.
Партией и правитель-
ством сейчас поставлен
вопрос о мерах по дальнейшему подъему промышлен-
ности на основе широкого внедрения в производство
достижений науки, техники и передового опыта. Для
улучшения этой работы создан Государственный Коми-
тет Совета Министров СССР по новой технике, который
направляет и координирует все усилия в этой области.
Новые мероприятия должны способствовать сдви-
гам в науке и технике, более успешному внедрению их
достижений в народное хозяйство.
Моделирование уже оказало неоценимые услуги
при постройке гидроузлов невиданных размеров и мощ-
ностей. Должно оно широчайшим образом помогать
и всемерному внедрению самой передовой техники на
наших предприятиях, совершенствованию технологии
и организации производства.
20*
307
Возьмем, например, изготовление крупнейших ма-
шин. Кованые и литые детали весят в несколько раз
меньше, чем их заготовки.
Поковки дисков турбины средней мощности весят
9,7 тонны, а готовые диски — только 2,8 тонны. Кова-
ные детали эксгаустора (воздуходувки) готовые весят
789 килограммов, заготовки для них — 3 900 килограм-
мов. Почти в пять раз больше! Ценнейший металл, та-
ким образом, перегоняется в горы стружек, изнаши-
вается станочное оборудование, массу времени напрас-
но теряют станочники.
Между тем литье по выплавляемым моделям, уже
довольно давно прошедшее стадию модельных испыта-
ний, дает поразительный эффект. Пользуясь для изго-
товления выплавляемых моделей дешевыми материа-
лами, такими, как стеарин и парафин, передовые пред-
приятия добились, что избыток металла при литье
составляет совсем небольшую долю веса готовой дета-
ли. Так, вес лопаток турбины в совершенно готовом ви-
де равен 5,5 килограмма, а отливки по выплавляемым
моделям — 6,5 килограмма, то-есть в стружку уходят
не 500 процентов, а 15 процентов!
Если детали на одном машиностроительном зазоде
делаются при помощи парового молота, а на другом —
ковкой на кривошипных прессах, съем поковок при
всех прочих равных условиях в последнем случае уве-
личивается в семь-восемь раз.
Но внедрение нового требует опыта, и далеко не все-
гда опыт на действующих машинах проходит безболез-
ненно для предприятия. Между тем при наличии экспе-
риментальной базы даже небольшого объема, но
располагающей кадрами, умеющими создавать и иссле-
довать модели, опыт может производиться в любых
условиях и соответствовать любым требованиям.
Чтобы социалистическое производство развивалось,
техника должна все время итти вперед. Одним из важ-
нейших условий такого прогресса является автоматиза-
ция производства. Здесь роль предварительных опытов
на моделях очень велика. Для каждого культурного
руководителя предприятия опыты на моделях, под-
крепленные соответствующими теоретическими расче-
308
тами, должны быть убедительным доказательством
возможности и необходимости автоматизировать про-
цесс.
Создавая новые усовершенствованные машины,
нельзя забывать об огромных количествах уже рабо-
тающих и несколько морально устаревших машин.
Нередко их «моральная старость» сосредоточивается
только в каком-нибудь одном узле. Замена таких узлов
новыми, то-есть модернизация установок, должна дать
большой эффект при несравненно меньших затратах,
чем этого требует полная смена оборудования.
Выяснить, как лучше всего произвести замену, очень
помогают модели. Это уже доказал опыт многих пред-
приятий, производящих частичную модернизацию обо-
рудования собственными силами.
Там, где моделированию уделяется много внимания,
там внедрение передовой техники стоит на наиболее
высоком уровне. Отставание сельскохозяйственного ма-
шиностроения в немалой степени объясняется некото-
рым пренебрежением к моделированию сельскохозяй-
ственных машин и стремлением выпустить образец без
всесторонней отшлифовки на моделях. В результате
машины иногда морально стареют, раньше чем начи-
нается их массовый выпуск.
И. П. Гуреев спроектировал весьма хорошую маши-
ну для уборки кукурузы. Изобретатель кустарным спо-
собом сам сделал модель кукурузоуборочного комбай-
на из тридцати вышедших из строя велосипедов, швей-
ных и других машин. Модель выглядела довольно
странно, но дала замечательные результаты. Глядя на
ее работу, можно было представить, как великолепно
будет действовать такая машина, выпущенная одним
из наших лучших заводов сельскохозяйственных ма-
шин. В 1955 году после долгих хлопот изобретателя
было принято решение о выпуске опытных образцов
кукурузоуборочного комбайна.
Безусловно, модель очень помогла И. П. Гурееву:
трудно спорить, когда основываешься только на пред-
положениях, а твой «противник» показывает уже дей-
ствующую модель, великолепно справляющуюся с за-
дачей.
309
Новые требования, предъявленные в нашец стране
к науке и технике, ставят перед специалистами новые
задачи. Одним из непременных условий общего подъ-
ема является знакомство с прогрессом не только в сво-
ей области, но и в смежных, а иногда и в далеких по
профилю областях. Это в особенности относится к мо-
делированию, в одних отраслях техники достигшему
значительного расцвета, а в других еще находящемуся
в зачаточной стадии.
Несколько лет назад в Сталино перед производ-
ственниками выступил научный сотрудник Академии
наук СССР. Он познакомил горняков с опытами, помо-
гающими конструкторам угледобывающих машин.
Ученый говорил об интересных моделях, но доверие
слушателей к выводам докладчика сильно уменьши-
лось, когда они узнали, что все его расчеты строились
только на опытах с маленькими кубиками антрацита.
Люди, для которых добыча угля — повседневное дело,
на опыте знали, что сопротивление кубика и глыбы ан-
трацита в лаве не одинаковы, а ученый пренебрегал
этим.
Между тем при моделировании в гидротехнике,
в строительстве исследователи никогда не базируются
на маленьких кубиках, вырезанных из грунта. Давным-
давно известно, что при таком моделировании неизбеж-
ны грубейшие ошибки.
Моделирование в гидроэнергетике достигло значи-
тельных успехов, но оно еще недостаточно развито
в тех отраслях техники, которые совершенствуют
старые и разрабатывают новые методы получения
энергии «цветных углей»: черного — угля, бурого—тор-
фа, голубого — ветра, синего—моря, желтого—солнца.
Интереснейшая задача заключается, например,
в непосредственном превращении химической энергии
угля в электричество без сжигания топлива — с по-
мощью электрохимического генератора. Много лет
назад изумительную модель подобного генератора со-
здал П. Н. Яблочков.
Изобретатель хотел получить электрический ток без
паровой машины и электрического генератора — прямо
из топлива. Он построил установку в 40 лошадиных
310
сил и, пользуясь коксом,
превращал его энергию непо-
средственно в электриче-
ский ток, доказав, таким об-
разом, полную возможность
работы подобного электро-
химического генератора.
Взрыв, навсегда лишивший
здоровья П. Н. Яблочкова,
помешал продолжению ра-
бот с этой замечательной мо-
делью И дальнейшему усо- Модель для изучения земле-
вершенствованию ее.	трясения.
Развивая и совершен-
ствуя идеи Яблочкова, наши ученые, несомненно, при-
дут к удачному решению проблемы и создадут генера-
торы с коэффициентом полезного действия, близким
к 100 процентам.
Большие задачи стоят перед покорителями «голу-
бого угля». Он имеется повсюду. На земном шаре энер-
гия ветра в 5 тысяч раз превосходит энергию, ежегодно
извлекаемую из настоящего угля. «Залежи» «голубого
угля» неистощимы, и на каждом квадратном метре по-
верхности земли за два года ветер мог бы выполнить
работу теплового двигателя, израсходовавшего более
1 000 тонн топлива.
Создание очень мощных надежных ветряных двига-
телей требует бесчисленных опытов на моделях. До сих
пор еще такого двигателя нет. Ветродвигатели должны
быть настолько мощными, чтобы генераторы, приводи-
мые ими в движение, можно было включать в общую
сеть со станциями другого типа — тепловыми, гидро-
электрическими.
Еще до Великой Отечественной войны у нас были
построены самые мощные в мире ветроэлектрические
двигатели, послужившие гигантскими моделями. Эти
модели указали недостатки, которые надо было устра-
нить, чтобы ветродвигатели смогли работать вместе
с электростанциями других типов.
Придет очередь и «синего угля» — морской воды.
Использование неистощимой энергии морей й океанов
311
Модель ветродвигателя.
сулит огромный эффект —
это уже не оспаривается ни-»
кем.
Но опыты по созданию
моделей установок, превра-
щающих энергию океанского
прилива в другие виды энер-
гии, до сих пор еще не выхо-
дят из пределов морских ла-
бораторий. Были, правда,
попытки построить крупней-
шие морские гидроэлектро-
станции. Но эти попытки
кончались неудачно. И толь-
ко примитивные приливные
мельницы, разбросанные по
побережью Атлантического
океана и бесперебойно рабо-
тающие уже не одно столетие, напоминают о том, что
энергия приливов ждет осуществления смелых проек-
тов.
Изрезанные берега в районе Мурманска, в Пенжин-
ской губе, на Охотском море, а также и другие места
нашего северного побережья представляют большие
возможности для постройки приливных станций. Вы-
сота приливной волны достигает там 11 метров.
Море производит огромную работу не только во вре-
мя приливов, но и когда оно волнуется. Нелегкая за-
дача заставить бурю работать, однако есть проекты
и модели установок для использования энергии волн.
Одни считают, что для этой цели пригоден поплавок,
поднимаемый и опускаемый волнами. Двигаясь, попла-
вок тянет за собою поршни насосов, подающих морскую
воду на большую высоту. А поднятая вода — энергети-
ческий клад, который может служить человеку многими
способами и в любое время.
Можно заставить волны толкать колесо, вращаю-
щееся благодаря специальному устройству всегда в од-
ну сторону.
Академик В. В. Шулейкин предложил очень инте-
ресную модель конструкции волновой машины. В ней
312
нет механических деталей, движу-
щихся для передачи энергии волн.
Гидравлический таран В. В. Шу-
лейкина представляет собою кана-
лы в береговой стенке, сужаю-
щиеся особым образом. Вода, про-
рываясь сквозь узкие места кана-
лов, за счет уменьшения ее коли-
чества приобретает очень боль-
шую скорость и поднимается вы-
соко вверх. Клапан преграждает
обратный путь жидкости, накап-
ливающейся в резервуаре, из ко-
торого она может потом выпус-
каться по трубопроводу и вра-
щать рабочее колесо турбины.
В Кацивели, где находится мор-
ская лаборатория Гидрофизиче-
ского института Академии наук
СССР, была любопытная модель
волновой машины, сделанная из
старого артиллерийского снаряда.
В камнях в черте наибольшего
прибоя на раме укрепили снаряд
со вставленным в него буфером —
поршнем. Волны ударялись о та-
релку буфера, сжимали пружину,
и поршень шел в глубину снаряда.
Обратный ход поршень делал за
счет энергии пружины, и так без
конца. Кто знает, быть может,
когда-нибудь эта первая в мире
модель буферного волнового на-
соса послужит важной деталью
мощной установки для использо-
вания неистощимой энергии волн,
до сих пор только разрушающей.
И паровая, и гидравлическая
турбина, и ветровой двигатель ра-
ботают благодаря энергии, посы-
лаемой солнцем сейчас или накоп-
Модель црибойной
стан’ций. Вращение
рукоятки (1) вызы-
вает опускание со-
суда (2) с водой и
сжатие пружины (3).
Эксцентрик (4), осво-
бождаясь, позво-
ляет штанге (5) вме-
сте с сосудом (2)
двигаться вверх бла-
годаря толчку пру-
жины (3). «Прибой-
ная волна» — жид-
кость в сосуде (2)
устремляется вверх
по каналу (6) и,
пройдя его, собирает-
ся в резервуаре, от-
куда может выте-
кать, производя не-
обходимую работу.
313
ленной на земле раньше. Солнце — источник всей энер-
гии на земле. Но непосредственное использование сол-
нечной энергии в крупных масштабах до сих пор еще не
реализовано.
Весьма заманчиво собрать рассеянное солнечное
тепло при помощи специальных концентрирующих
устройств и нагревать им воду паровых котлов или
другие жидкости для получения пара. В южных краях
СССР солнечная энергия льется на землю в огромных
количествах. Тысячи Днепрогэсов нужны, чтобы заме-
нить солнечные лучи, отдающие свою энергию терри-
тории одного только Узбекистана.
Пока лишь ничтожная часть «желтого угля» исполь-
зуется непосредственно. Установки, работающие на
«желтом угле», подогревают воду для бань, для тех-
нических нужд небольших предприятий. Это солнеч-
ные ящики, теплицы в миниатюре, улавливающие сол-
нечные лучи и не выпускающие их тепло из плена.
Недавно гелиолабораторией Энергетического ин-
ститута Академии наук СССР созданы специальные
водонагреватели и кипятильники. Ташкентская гелио-
установка с зеркалом диаметром в 10 метров позволя-
ла получать даром много энергии. Имеются опресни-
тели грунтовых вод, которые при помощи солнечного
нагревателя испаряют соленую воду и дают за сутки
около полутора тонн питьевой воды.
Такие солнечные опреснители должны сыграть нема-
лую роль в развитии животноводства в районах Турк-
мении, на новых, впервые осваиваемых пастбищах.
В гелиолаборатории Энергетического института
Академии наук СССР можно увидеть «модель солн-
ца»— мощный прожектор, лучи которого направлены
на отражатель. Эта модель помогла научным сотрудни-
кам лаборатории под руководством академика
М. В. Кирпичева решить целый ряд важнейших теоре-
тических вопросов, связанных с использованием сол-
нечного тепла для высокого нагрева.
Уже есть замечательные модели солнечных устано-
вок, в которых тепло бесконечно далекого светила пла-
вит металл, сваривает его. Пока они представляют со-
бою лишь лабораторные образцы, модели для различ-
ай
ных гелиотехнических исследо-
ваний, но уже ясен путь, кото-
рый приведет к созданию мощ-
ных очагов чрезвычайно высо-
кого нагрева за счет бесплат-
ной, неистощимой солнечной
энергии.
Совершенствуясь, гелиотех-
ника вооружит человека сред-
ствами прямого использования
солнечных лучей. Нет ничего
фантастического, например,
в создании воздушной турбины,
колесо которой будет вращать
поток воздуха, устремляющего-
ся вверх по высокой трубе.
Внизу, там, где будет стоять
турбина, концентрированное
солнечное тепло нагреет воз-
дух, а вверху будет все время
холодно. Разность температур
вызовет настоящий ураган,
мчащийся по вертикальному
тоннелю установки и по пути
отдающий свою энергию рабо-
чему колесу турбины.
Подсчеты показывают, что таким способом можно
получить сотни тысяч киловатт. Правда, у солнечной
турбины слабым местом является труба — она должна
быть с километр высотою. Но стоит посмотреть на вы-
сокие мачты наших мощных радиостанций — некогда
возможность их существования показалась бы не менее
невероятной, чем установка трубы высотою около
1 000 метров.
Превратить солнечный луч прямо в электричество
еще заманчивее, чем пользоваться теплом солнца для
нагрева деталей различных силовых установок или для
вращения ротора турбины. В этой области наука идет
медленными, но верными шагами.
В 1888 году великий русский ученый профессор
Столетов поразил людей науки, продемонстрировав
Модель прибойной ма-
шины из буфера и ар-
тиллерийского снаряда.
313
опыт непосредственного использования энергии свето-
вых лучей в первой в мире модели фотоэлемента, в про-
образе всех фотоэлементов.
Фотоэлементы способны выполнять только работы,
не требующие значительной мощности, и нет установок,
использующих солнечные лучи для энергетических це-
лей. Но фотоэлементы непрерывно совершенствуются.
Коэффициент полезного действия селеновых фотоэле-
ментов в десять раз выше, чем меднозакисных. Совет-
ские изобретатели создают «электрические глаза» с еще
более высокими 'коэффициентами полезного действия.
Когда же практические затруднения, возникающие при
решениях проблемы использования солнечной энергии,
при помощи фотоэлементов будут разрешены, любые
поверхности, освещаемые солнцем, можно будет пре-
вращать в источники дарового электрического тока,
покрывая их особыми веществами. Даже крыши домов
в городах, обработанные таким образом, станут извле-
кать энергию солнечных лучей.
Усовершенствованные фотоэлементы уже сейчас ис-
пользуют до 6 процентов солнечного света. Это нема-
лая величина: с каждого квадратного метра поверхно-
сти, освещенной солнцем, можно получить до 50 ватт.
Говоря об энергетических ресурсах ближайшего бу-
дущего, нельзя не сказать снова о чуде нашего века —
атомной энергии. Энергия, имеющаяся в одном грамме
вещества, могла бы заменить 3 тысячи тонн угля. Один
килограмм угля при сжигании его дает только 8,5 ки-
ловатт-часа электроэнергии. Атомной энергии в этом
же килограмме угля в три миллиона раз больше.
Атомные энергетические установки смогут созда-
ваться в любых местах: на севере, на юге, на земле, под
землей, на воде, под водой, в воздухе. Там, где нет ни-
каких других энергетических ресурсов, атомная уста-
новка сразу перенесет район в век атомной энергии,
в век, когда на долю каждого человека будет прихо-
диться безграничное число киловатт-часов электроэнер-
гии, извлекаемой прямо из недр вещества, как из неис-
черпаемой шахты.
Теплом, выделяющимся при искусственном разру-
шении даже ничтожных количеств урана, можно дове-
316
сти до кипения многие сотни тысяч кубометров воды.
С теплом, даваемым атомными котлами, не смогут бо-
роться самые холодные части земли. Постепенно им
придется изменить свой климат. А тогда изменится
и климат всей земли.
Энергия, как много ее ни приходилось бы на долю
каждого человека, никогда не будет лишней. В ней
секрет превращения человека в настоящего «велика-
на», которому все под силу — и путешествие на другие
планеты и прогулка по самому глубокому дну океана,
тайна которого до сих пор не раскрыта.
Источники энергии разбросаны у нас по всей терри-
тории Союза, и это позволяет гармонично развивать
все районы. Громадные строительства предусматри-
ваются в различных местах страны. Они образуют как
'бы мощные сгустки электроэнергии, преобразующей
обширнейшие территории.
Объединение всей энергетической системы страны
в один узел, управляемый из одного центра, имеет
огромные преимущества. Конечно, чем больше госу-
дарство, тем труднее создать в нем единую сеть. В Со-
ветском Союзе, чтобы установки Востока, Центра, Юга
и Запада могли работать на одну нагрузку, надо по-
строить линии передачи электроэнергии длиною во
многие тысячи километров.
Для сверхдальних линий переменный ток не годится
из-за огромных потерь, сопровождающих путешествие
переменного тока сверхвысокого напряжения по прово-
дам. Постоянный ток ведет себя в линии гораздо более
спокойно. Но зато получение постоянного тока высокого
напряжения наталкивается на трудности, начиная
с первоисточника — с генератора высокого напряже-
ния. Поэтому на электростанции должны работать ма-
шины переменного тока, дающие высокое напряжение.
Затем переменный ток йревращается в постоянный
примерно такого же напряжения и поступает в линию.
В конце линии опять необходимо постоянный ток сде-
лать переменным, чтобы его можно было понизить при
помощи трансформаторов. Экономичных средств пони-
жения напряжения постоянного тока не существует.
В этой сложной цепи самое тяжелое звено — пре-
317
вращение постоянного тока высокого напряжения в пе-
ременный. Много лет уже ведутся опыты и исследова-
ния условий передачи постоянного тока на большие
расстояния. Под Москвой сейчас монтируются новые
установки, модели для научных наблюдений и обоб-
щений, которые требуются для решения одной из важ-
нейших проблем электротехники — передачи электри-
ческой энергии по проводам на любые расстояния. Уже
работает линия длиною 100 километров между Каши-
рой и Москвой. По ней передается постоянный ток вы-
сокого напряжения.
Многое из того, что сейчас стало мощной машиной
или грандиозным сооружением, когда-то тоже было
лишь моделью, которая исследовалась уйеным в его
лаборатории и терпеливо ждала своей очереди, чтобы
выйти на «главную линию». Модели, исследования ко-
торых помогли советским специалистам дать стране
лучшие типы плотин, шлюзов, турбин, генераторов,
станков, сельскохозяйственных и других машин,
не останутся только как память великих научных
и трудовых подвигов. Наиболее совершенные из них бу-
дут служить для дальнейших работ по созданию новых
машин и сооружений.
Непрерывно улучшаются методы изготовления ма-
шин, техника строительства. На новую, гораздо более
высокую ступень поднялось и моделирование — верный
помощник инженера и ученого. В смелых замыслах на-
ших исследователей работы с моделями нередко наме-
чаются как необходимейший этап, который надо пройти
для решения той или иной сложной проблемы.
Уже сейчас перед человечеством стоит труднейшая
задача — научиться уверенно управлять новыми источ-
никами энергии, большими мощностями, сверхвысоки-
ми температурами, громадными давлениями. Не менее
сложна проблема создания и совершенно новых, не ви-
данных никогда типов машин. Решить все эти и еще
многие другие сложнейшие вопросы, возникающие пе-
ред наукой и техникой, несомненно, помогут и моде-
ли — маленькие помощники в больших делах, свер-
шаемых человеком.
СОДЕРЖАНИЕ
ЧТО ТАКОЕ МОДЕЛЬ
Недостававшее звено.................... 3
Молодость творчества................... 6
Трудным путём.......................... Н
О подобии....................,	. . .	18
ПОКОРЕНИЕ ПРОСТРАНСТВА
Корабли в бассейне.................... 24
Чудесные числа........................ 43
Подвиг................................ 57
Самолет-ракета........................ 74
На рельсах............................ 83
Модель и автомобиль................... 91
ВЛАСТЬ НАД ЗЕМЛЕЙ
От лопаты до направленного взрыва ...	96*
В горах Армении...................... 105
Реки в лаборатории................... 118
Всего лишь песчинка.................. 135
Страницы из истории плотин........... 145
Борьба с водой....................... 158
Моделирование ветром................. 171
Победа над пустыней.................. 176
Машины полей......................... 183
ГИГАНТЫ
Стальное сердце...................... 202
Враги турбин......................... 213
Куйбышев — Москва.....................222
ПОМОЩНИКИ ИССЛЕДОВАТЕЛЕЙ
«Машина будущего».................237
«Думающие» аппараты и приборы	....	250
Под искусственным солнцем...... 256
Техника защиты человека........ 264
НЕОБЫКНОВЕННЫЕ МОДЕЛИ
Электроневод и «лифты» для	рыб	....	277
Молния в лаборатории...........284
Энергия атома..................292
СЕГОДНЯИЗАВТРА	306
ДОРОГИЕ ЧИТАТЕЛИ!
Издательство просит прислать отзыв об
этой книге по адресу: Москва, А-55, Сущев-
ская, 21, массовый отдел.
В отзыве сообщите, понравилось ли вам
содержание и оформление книги и какие
темы новых, произведений вас интересуют.
Укажите свой адрес и возраст.
Морозов Александр Иванович
ТАЙНЫ МОДЕЛЕЙ
Редактор В. Пекелис
Переплет В. Одинцова
Рисунки Г. Возлинского, А. Печенникова, В. Одинцова
Худож. редактор Н. Печникова
Техн, редактор Н. Михайловская
А06650 Подп. к печати 12/XII 1955 г. Бума-
га 84 x*-108Vsi в 5 бум. л. = 16,4 печ. л.
Уч.-изд. л. 15,7 Заказ 1797 Тираж 50 000 экз.
Цена 6 р. 25 к.
Типография „Красное знамя"
изд-ва „Молодая гвардия".
Москва, А-55, Сущевская, 21
6 р. 25 к