Текст книги "100 великих научных достижений России"

Поток Энергии Умова

Физик, философ, педагог, лектор, пропагандист, популяризатор науки, общественный деятель; профессор Новороссийского и Московского университетов, Московского технического училища; почетный доктор Глазговского университета; основатель (совместно с П.Н. Лебедевым) Физического института при Московском университете; президент Московского общества испытателей природы, председатель Московского педагогического общества, товарищ председателя Общества содействия успехам опытных наук и практических применений им. Х.С. Леденцова; издатель и главный редактор журнала «Научное слово», Николай Алексеевич Умов (1846–1915) является автором учения о движении энергии в телах, базового понятия в новейшей физике – потока энергии, т. н. вектора Умова. Умов – первооткрыватель классической формулы общего уравнения движения энергии.

Н.А. Умов

Человечество с каждым годом все больше нуждается в энергии – механической, тепловой, химической, электрической, ядерной. Все эти формы энергии, трансформируясь друг в друга, дают совокупность энергетических процессов, без которых не обойтись ни обывателям, ни ученым. Последних всегда интересовал вопрос – каким образом происходит эта трансформация и как повысить ее КПД?

Схематично это выглядит так. В замкнутый объем через поверхность поступает первичная энергия, а затем выходит преобразованная (разумеется, в рамках закона сохранения энергии). Плотность потока энергии (S_u) при этом ограничена физическими свойствами среды, через которую она течет. Этот термин – плотность потока энергии – ввел в начале 1870-х гг. русский физик Н.А. Умов, опубликовавший несколько работ о движении энергии, в которых развил представления о плотности энергии в данной точке среды, скорости и направлении движения энергии, о локализации потока энергии в пространстве.

Ученый составил дифференциальные уравнения движения энергии в твердых телах постоянной упругости и в жидких телах, интегрируя которые и применяя к распространению волн в упругой среде, пришел к заключению, что энергия целиком переносится волной от одной точки к другой. «Количество энергии, проходящей через элемент поверхности тела в единицу времени, равно силе давления или натяжения, действующей на этот элемент, умноженной на скорость движения элемента» – этот вывод называется теоремой Умова.

Уравнение непрерывности в свободном пространстве для движущихся упругих сред и вязких жидкостей имеет вид:

где S_u = wv; w – плотность энергии; v – скорость движения среды.

После защиты ученым в 1874 г. докторской диссертации «Уравнения движения энергии в телах» S_u принято называть в нашей стране p вектором Умова.

В 1884 г. английский физик Д. Пойнтинг, независимо от Умова и ничего не зная о трудах русского ученого, получил подобное выражение для частного случая – электромагнитного поля (поперечных электромагнитных волн). На Западе без особых рефлексий вектор Умова переименовали в вектор Пойнтинга (S_p):

S_p = [E × H]; E и H – напряженности электрического и магнитного полей.

Сам Умов, кстати, отмечал, что его выводы применимы и в электромагнитных полях.

Необходимо различать принципиальную разницу между этими u понятиями – S_u и S_p. Вектор Пойнтинга можно рассматривать только применительно к электромагнитным полям, тогда как вектор Умова применим ко всем силовым полям без исключения, поскольку сами уравнения движения энергии получены Умовым для движения любого вида энергии, происходящего в любой среде, то есть носят самый общий характер.

Не прибегая к выкладкам, заметим еще, что вектор Умова S_u описывает конвективный перенос энергии из одной точки пространства в другую, в частности полем движущегося заряда; а вектор Пойнтинга связан лишь с переносом энергии электромагнитными волнами.

Труды Умова своей математической сложностью представляли «крепкий орешек» для российских и зарубежных коллег Николая Алексеевича. Утверждали даже, что они «лишены какого бы то ни было научного смысла и представляют собой… простой набор математических формул». Раскусили их не сразу, но, раскусив, буквально растащили на цитаты, при этом не всегда озвучивая автора.

Так было и в других случаях. Когда Умов показал свою блестящую работу «О стационарном движении электричества на проводящих поверхностях произвольного вида» немецкому физику Г. Кирхгофу, тот тут же умыкнул главные положения этого исследования и опубликовал их под своим именем (не забыв, правда, упомянуть и русского ученого). Фактически то же самое произошло и со знаменитой формулой E = mc², которую русский физик получил лет за тридцать до А. Эйнштейна – опять же как общий случай для волновых процессов в упругих средах. (Умов вывел соотношение между энергией волновых полей и их инерцией: dE = c²dm).

Но вернемся к вектору и к области его применения. Надо сказать, что область эта – широчайшая, как в науке, как и в технике. Без вектора Умова не обойтись при освоении нового вида энергии (скажем, термоядерной), при разработке сложного и дорогостоящего технического устройства (ТОКОМАК).

35 лет назад, в преддверии глобального мирового энергетического кризиса из-за исчерпания природных энергетических ресурсов, П.Л. Капица в одном из своих докладов, посвященных энергетической проблеме, обосновывая свои положения в выборе того или иного вида энергии, оперировал только вектором Умова. Рассматривая альтернативные способы получения энергии, академик подчеркивал удобство вектора Умова для изучения процессов преобразования энергии. При этом Капица привел примеры, как с помощью этого вектора определяют предельную мощность мотора или турбины; мощность трансмиссии ременной передачи; предельную мощность, передаваемую лентой в генераторе типа Ванде-Граафа; предельную мощность в газовых, химических элементах, в солнечных батареях, геотермальных источниках; как находят предельную высоту, на которой может летать турбореактивный самолет, и т. д.

К сказанному Капицей можно добавить, что вектор Умова применяют для проектирования электромагнитных излучателей и направляющих систем в радиоэлектронной аппаратуре, для расчета энергетических характеристик антенн, в частности, сопротивления излучения выпускных самолетных антенн. Вектор необходим при определении оптимальной аэродинамической конструкции летательного аппарата в поле скоростей. В процессах и аппаратах химических технологий его используют для составления детерминированных и идеальных математических моделей. В электротехнике с его помощью определяют внутреннее активное и реактивное сопротивление проводника и т. д. и т. п.

«Представления Умова о движении и распределении энергии в средах, о ее потоке, скорости и направлении являются общепризнанными в современной физике. Они прочно завоевали себе место в таких ее разделах, как теория поля, электродинамика, оптика, акустика, гидродинамика… Именно Умов изложил очень ценную идею об универсальности всех силовых взаимодействий в природе» (профессор А.Л. Шаляпин).

Писатель Андрей Белый оставил яркие воспоминания о своем преподавателе – Н.А. Умове, в котором адекватно своему учителю употребил много редких, но метких слов: «Огромная область физика была им высечена перед нами, как художественное произведение, единообразное по стилю… Он вводил нас в суть вопроса, как жрец, сперва протомив подготовкою; взвивал занавесь, и мы видели не историю становления вопроса, а некую драму-мистерию; так, пленив нас вопросом, он углублялся уже в детализацию и раскрытие чисто математических формул».

«Свеча Яблочкова»

Электротехник, военный инженер, конструктор, изобретатель, предприниматель; действительный член Французского физического общества, заместитель председателя Электротехнического отдела императорского Русского технического общества (РТО); начальник службы телеграфа Московско-Курской железной дороги, директор мастерской физических приборов (Москва), руководитель технического отдела французской «Генеральной компании электричества с патентами Яблочкова» (Париж), глава акционерного товарищества «Яблочков-изобретатель и К°»; кавалер именной медали РТО и французского ордена Почетного легиона, Павел Николаевич Яблочков (1847–1894) известен многими научными работами и изобретениями в области электротехники – электромагнитов, сепараторов для разделения катодного и анодного пространства, первого генератора и первого трансформатора переменного тока, системы «дробления» электрического света, химических источников тока. Всемирную славу получил Яблочков за свою дуговую лампу – «свечу Яблочкова».

Как освещались полтора века назад улицы наших городов? Хотя бы Москвы. О деревнях не будем. Накануне нашествия «двунадесяти языков» улицы Белокаменной с сентября по май освещали 7000 масляных фонарей на деревянных столбах. Фонари были в версте друг от друга, конопляное масло (а были времена, и спирт) воровали, так что слово «освещали» мало отражало суть этого физического явления.

В 1862 г. масло сменил керосин. Десятилинейные девятисвечевые керосиновые фонари освещали центр древней столицы, а пятилинейные – бросали жидкий свет на окраинах. Через 3 года появились 3000 газовых английских фонарей. Для «большой деревни» этого было явно недостаточно, поэтому вопрос об освещении улиц во второй половине XIX в. стоял довольно остро. Кстати, не только в Москве, но и во всем мире, прежде всего в европейских столицах, где фонарей было больше, но тех же – английских.

Ипподром в Париже, освещённый «свечами Яблочкова». Гравюра XIX в.

В 1872 г. русский электротехник А.Н. Лодыгин подал заявку на изобретение электрической лампы накаливания, в которой нитью накала служил угольный стержень, помещенный в вакуумированный сосуд, а в 1874 г. получил патент за номером 1619. Тогда же состоялись демонстрации по освещению улиц и помещений в ряде мест Петербурга. Вызвав общественный резонанс, лампы накаливания тем не менее не нашли спроса из-за несовершенства конструкции. Но они подготовили почву для изобретения П.Н. Яблочковым (в мастерских которого Лодыгин какое-то время работал) электрической свечи, а позднее и для работ американца Т.А. Эдисона (патент 1880 г.), с благодарностью позаимствовавшего принцип действия изобретения предшественника и добавившего к нему свою придумку – угольную нить из бамбука, существенно увеличившую срок службы лампы.

12 декабря 1876 г. впервые вспыхнул свет «свечи Яблочкова» (французский патент № 112024, 1876). К этому дню ученый шел несколько лет.

Будучи членом кружка электриков-изобретателей и любителей электротехники при Московском политехническом музее, Яблочков узнал об опытах Лодыгина по освещению улиц и помещений лампами накаливания и загорелся идеей найти дуговой лампе Фуко с ручным регулированием длины дуги новую область практического применения. Дуговые лампы от электрических отличаются тем, что в них под действием электрического разряда светится газ между электродами, а в лампах накаливания свет излучает нагретая нить.

Установив впервые в истории железнодорожного транспорта на паровозе прожектор с такой дуговой лампой, Яблочков был разочарован хотя и эффектным освещением пути следования, но чрезвычайно неэффективным ручным регулированием и решил усовершенствовать лампу Фуко, имевшую горизонтальное расположение угольных электродов.

Как-то занимаясь опытами по электролизу растворов поваренной соли, Яблочков обратил внимание на вспышку между двумя случайно коснувшимися друг друга угольными пластинками-электродами, после чего остановился на варианте дуговой лампы без регулятора межэлектродного расстояния.

Поставив электроды вертикально, изобретатель разделил их слоем изолятора – фарфоровой вставкой, а зажигание производил сведением электродов до соприкосновения (с последующим разведением). Во время работы лампы электроды сгорали и испарялись, но нужное расстояние между ними поддерживалось автоматически.

Это простейшее (но и гениальное) устройство, в котором ученый добился главного – саморегулирования свечения, тут же получило название «свеча Яблочкова». Местом первой демонстрации нового источника света стал Лондон. В столицах Европы, Америки, Азии «русский свет» осветил универсальные магазины и театры, площади и улицы, а во дворцах персидского шаха и короля Камбоджи не могли нарадоваться яркости голубого и оранжевого (в зависимости от состава вещества в прокладке между углями) «северного света». В России впервые электрическое освещение по системе Яблочкова было проведено в 1878 г. в казармах Кронштадта и в Большом театре Петербурга.

Пресса изливала восторг и вещала о новой эре в развитии электротехники. Во Французской академии и в других крупнейших научных обществах Европы изобретению русского ученого был посвящен ряд докладов. На электротехнической выставке 1881 г. в Париже изобретения Яблочкова, признанные вне конкурса, получили высшую награду. Словом, мир получил свет, а Яблочков – мировое признание.

Надо отметить, что Яблочков не только изобрел свечу, но и обеспечил ей скорейшее внедрение. Оснастил осветительные установки генераторами переменного тока; рассчитал и предложил цепи из произвольного числа свечей; добился увеличения их долговечности (из-за быстрого сгорания электродов первых свеч хватало на 1,5 часа); разработал системы распределения тока при посредстве индукционных приборов – предшественников современных трансформаторов.

Товарищество «Яблочков-изобретатель и К°» какое-то время процветало, но поскольку Павлу Николаевичу за непрестанными расчетами и опытами некогда было самому заниматься делами фирмы, ими занимались проходимцы, которые оставили изобретателя ни с чем.

Через несколько лет яркие, но неэкономичные дуговые лампы заменились лампами накаливания, но не ушли, а заняли свою достойную нишу среди прочих источников света.

Позднее вольтову дугу стали заключать в лишенную кислорода атмосферу, чем повысили непрерывность горения до 200 часов. Сейчас вместо вакуума применяют инертные газы. Широкое применение нашли источники особо яркого (белого) света – ртутные и ксеноновые дуговые газоразрядные лампы. Для получения желтого и оранжевого цветов применяют натриевые лампы соответственно низкого и высокого давления, пользующиеся славой самых эффективных источников света.

Собственно же дуговая угольная лампа Яблочкова в ее первозданном виде получила широчайшее распространение в XX в. в прожекторостроении, кинопроекционной аппаратуре, в мощных облучательных установках, находящих большое применение. Так, например, в оптических печах исследуют физико-химические свойства материалов при высоких температурах, изучают влияние интенсивных лучистых потоков на материалы и организмы, осуществляют плавку в особо чистых условиях, сварку и пайку тугоплавких материалов, выращивают монокристаллы, занимаются рафинированием цветных металлов и т. д.

Свеча Яблочкова повлияла на многие работы в области электрического освещения, в частности инициировала возникновение научной фотометрии.

«Свеча Яблочкова дала электротехнике такой же сильный толчок на пути разнообразнейших практических применений электричества, какой паровая машина Уатта дала применениям пара в промышленности» (академик Н.П. Петров).

Помимо своего главного изобретения Павел Николаевич предложил еще электрическую лампочку другого типа – каолиновую, свечение которой происходило от огнеупорных тел, накаляемых электрическим током. Этот принцип спустя четверть века был использован в лампе Нернста.

Ученый создал еще несколько электрических машин и химических источников тока, принесших славу России в области электротехники; получил ряд патентов на магнитоэлектрическую машину переменного тока без вращательного движения; на магнитодинамоэлектрическую машину, на машину переменного тока с вращающимся индуктором, полюсы которого были расположены на винтовой линии; на электродвигатель-генератор, могущий работать на переменном и на постоянном токе, и т. д. В Санкт-Петербурге Яблочков основал электромеханический завод, учредил первый русский электротехнический журнал «Электричество» (1880).

Т.А. Эдисон прожил свою жизнь в богатстве, в свете славы и «ламп Эдисона», а П.Н. Яблочков умер в бедности, редко вспоминаемый кем, 31 марта 1894 г. в Саратове, улицы которого освещали тогда в лучшем случае газовыми английскими фонарями, хотя в концертном зале на Немецкой улице и в гостинице «Россия» уже горели электрические фонари по 550 свечей каждый.

Лампа накаливания Лодыгина

Физик, электротехник, инженер, конструктор, изобретатель; народник; заводской слесарь, молотобоец, сотрудник строительного управления Петербургской железной дороги, заведующий подстанциями городского трамвая в Петербурге, преподаватель Петербургского электротехнического института; основатель первых ламповых производств во Франции и заводов по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана в США; создатель компании «Русское товарищество электрического освещения Лодыгин и К°»; действительный член Русского технического общества; участник многих международных выставок; лауреат Ломоносовской премии Петербургской АН; кавалер ордена Станислава 3-й степени; почетный инженер-электрик Электротехнического института императора Александра III (ЭТИ), Александр Николаевич Лодыгин (1847–1923) изобрел лампу накаливания. Лодыгин известен также как основатель промышленной электротермии, разработчик электрических печей сопротивления и индукционных для плавки металлов, меленита, стекла, закалки и отжига стальных изделий, получения фосфора, кремния.

А.Н. Лодыгин для России – то же самое, что Т. Эдисон для Америки. Речь идет не о количестве патентов, а о значении инженерного и научного вклада в престиж страны.

Лампа накаливания Лодыгина – изобретение ранга теплового двигателя Ползунова или самолета Можайского, названия которых остались навеки связанными с именами создателей. Увы, всякое великое научно-техническое достижение – искус для других изобретателей. Эдисон, позаимствовавший принцип лампы накаливания у Лодыгина, даже предъявил иск автору этой идеи, но суд отклонил заявление американца, сославшись на первенство русского изобретателя. Приоритет изобретения лампы накаливания оспаривался многими лицами, но ни один «патентный процесс» ими выигран не был, так как главные составляющие лампы накаливания – стеклянная колба с откачанным воздухом и угольная, а позднее вольфрамовая нить, на поиск которой Александр Николаевич потратил 27 лет жизни, были запатентованными изобретениями Лодыгина.

И все же Эдисону надо отдать должное – благодаря вложенной им в модернизацию лампы огромной сумме денег, многочисленным экспериментам, нескольким новшествам, налаживанию по всему миру ее промышленного производства, рекламной кампании лампу Лодыгина стали называть лампочкой Эдисона. Это, правда, не изменило сути дела. Ведь ее в свое время называли «лампой Козлова», «лампой Конна» (владельцы акций «Товарищества электрического освещения А.Н. Лодыгин и К°») – именами дельцов, но отнюдь не изобретателей, а в советское и вовсе «лампочкой Ильича».

Будем считать все это научно-техническим казусом, тем более что все-таки Лодыгин первым изобрел лампу накаливания, первым запатентовал ее в России и за рубежом и первым осветил учреждения и городские улицы – за 6 лет до аналогичных работ Эдисона.

Кстати, историки науки обратили внимание на тот факт, что природа будто нарочно произвела на свет трех человек в один год: в 1847-м – Яблочкова, Лодыгина и Эдисона – с тем, чтобы они могли на равных посоревноваться друг с другом.

В молодости Лодыгина бросало в разные, причем самые новые, мало изученные области техники. В конце 1860-х гг. Александр одновременно занялся созданием летательного аппарата вертикального взлета – электролета (геликоптера, вертолета) и водолазного аппарата. Летательный аппарат, отвергнутый российским военным министерством, настолько заинтересовал французов, воевавших тогда с Пруссией, что они вызвали Лодыгина к себе. Увы, пруссаки победили, а мир, быть может, лишился великого изобретения. 40 лет спустя инженер вернулся к идее электролета, но и тогда она оказалась преждевременной и была использована много позднее.

А.Н. Лодыгин

Проект автономного водолазного скафандра с применением газовой смеси, состоящей из водорода и кислорода, вырабатываемого из воды путем электролиза, предложенный изобретателем в 1871 г., фактически явился прообразом акваланга.

Но именно работы по электрооборудованию электролета для ночного освещения привели Лодыгина к созданию его главного детища. Начав свои опыты с исследования электрической дуги, инженер обратил внимание на то, что раскаленные концы угольных стержней светят ярче дуги, и тут же стал подыскивать материалы, которые при пропускании тока светились бы не только ярко, но и как можно дольше не перегорали. Остановился изобретатель на двух тонких стержнях из ретортного угля, помещаемых в стеклянный баллон, из которого насосом был откачан воздух. Первые лампочки светились желтоватым светом полчаса, новые модификации – один час, полтора, потом все дольше и дольше…

Впервые лампочку накаливания Лодыгин продемонстрировал для военных на полигоне Волково Поле в Петербурге в 1870 г.

В 1871–1872 гг. изобретатель провел несколько публичных показов электрического освещения лампами накаливания, запитанными от батарей либо от магнитоэлектрических машин переменного тока – в Технологическом институте и Адмиралтействе, в Галерной гавани и на Одесской улице Северной столицы. Этими акциями инженер показал не только самые широкие возможности использования нового освещения, но и возможность «дробить свет», то есть включать большое число источников света в цепь одного генератора электрического тока – эта задача считалась едва ли не самой трудновыполнимой в то время.

Еще два лодыгинских изобретения остались в лампе накаливания – это закрученная в форме спирали нить накаливания и наполнение лампочек инертным газом.

Тогда же Лодыгин подал заявку в Департамент торговли и мануфактур на «Способ и аппараты дешевого электрического освещения», которая болталась по канцеляриям министерства больше двух лет.

В 1874 г. Александр Николаевич получил патент на свою лампу (привилегия № 1619 от 11 июля 1874 г.), после чего запатентовал изобретение в Австро-Венгрии, Испании, Португалии, Италии, Бельгии, Франции, Великобритании, Швеции, Саксонии, Индии и Австралии. В том же году Петербургская АН присвоила Лодыгину ежегодную Ломоносовскую премию.

До ума изобретатель довел свою лампочку после того, как перепробовал в качестве угольных стержней множество материалов. В 1893–1894 гг. Лодыгин получил американские патенты на лампы накаливания с нитью из вольфрама, молибдена и тантала и продемонстрировал новые источники света на Парижской выставке.

Относительная дешевизна ламп, простота их включения, компактность, отсутствие инерционности, малая зависимость параметров от температуры окружающей среды, достаточно высокая надежность и устойчивость к внешним механическим воздействиям и пр. обеспечили им зеленую улицу. И хотя сегодня изобретены другие, более совершенные и долговечные излучатели, лампы накаливания по-прежнему производят в громадных количествах, и они остаются одними из основных источников света.

А.Н. Лодыгина называли «русским Прометеем», «отцом электротермии», «кающимся дворянином». «Последнее определение говорит о глубокой внутренней порядочности и совестливости… Это же подтверждает и участие Лодыгина в народническом движении. Принято считать, что одним из двигателей его научных изысканий было стремление заменить лучины и керосиновые светильники на электрическое освещение в каждом русском доме и избе».