Физика в бою - В. Жуков

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

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

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

где mi — массы тел, образующих систему;

vi — скорость этих тел;

Р — вектор количества движения системы.

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

m1v1 = m2v2.

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

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

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

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

Посмотрим теперь, как обстоит дело с третьим фазовым состоянием вещества — твердым. Транспортные средства, предназначенные для движения по твердым однородным средам (шоссейным и железным дорогам), также достигли высокой степени совершенства: они экономичны, рациональны по конструкции, недороги в производстве. Но в связи с отсутствием в природе твердых однородных сред для передвижения транспорта их приходится создавать искусственно — строить дороги. Это та цена, которую мы вынуждены платить за отсутствие транспорта, способного двигаться по бездорожью, т. е. в разнородной среде.

Итак, нынешний уровень развития и состояние науки и техники позволили найти оптимальные решения для транспортных средств, предназначенных для движения по любой однофазной и однородной среде. Вне расчетных условий внешней среды современные транспортные средства практически двигаться не могут, да и вряд ли кому-либо придет в голову требовать от тепловоза движения не по рельсам, а по воде, а от подводной лодки — по суше. Маневрирование, например, самолетов по аэродромам настолько экономически невыгодно, что предпочитают иметь автотягачи для их буксировки.

Иное дело армейские машины. Они не могут быть рассчитываемы на какую-либо стабилизацию условий, в которых должны работать. В условиях применения ядерного оружия движение по дорогам будет скорее исключением, нежели правилом. Мосты и переправы будут уничтожаться, дефиле — забиваться транспортом или заражаться радиоактивными осадками. Короче говоря, преимущество в бою будет на стороне той армии, техника которой не будет привязана к дорогам, а сможет совершать свободные маневры по бездорожью и появляться там и тогда, где и когда противник ее меньше всего ожидает. Поэтому к армейской технике и предъявляются требования уверенного передвижения по бездорожью. Военные машины должны двигаться по песку и болотам, скалам и снегам, преодолевать водные преграды на плаву. Неплохо было бы, чтобы они могли и в воздух подниматься…

Уже одно простое, далеко не полное перечисление таких требований показывает, что, в отличие от невоенных, армейские машины должны быть способными выполнять поставленную задачу не в однофазной, однородной окружающей среде, а в нескольких фазах, при широком диапазоне преодолеваемых во время движения внешних сопротивлений.

Задача создания таких машин очень не проста. Видный зарубежный специалист в области машин высокой проходимости М. Г. Беккер заявил однажды, что решение этой проблемы будет найдено тогда, когда к ней будут привлечены силы ученых такого масштаба, как Фруд и Рейнольдс, Мах и Жуковский. В чем же сложность? Корень трудностей кроется в том, что бездорожье, с точки зрения передвижения по нему, — среда с крайне разнообразными и часто меняющимися под влиянием внешних условий свойствами. Поэтому хорошо зарекомендовавшие себя конструктивные решения транспортных средств обычного типа оказываются неприменимыми или неэффективными при создании машин для, бездорожья.

В связи с отсутствием теоретической базы создание транспортных средств высокой проходимости велось, да и по сей день ведется в армиях многих стран методом «проб и ошибок». Конструкторы оснащают машину устройствами и приспособлениями, позволяющими ей хотя бы на короткое время выполнять задачу вне расчетных условий: агрегаты машины герметизируются, кузов увеличивается до размеров, обеспечивающих плавучесть, ставится специальный движитель для плавания и считается, что задача преодоления водных преград успешно решена. К обычному автомобилю добавляют несколько ведущих осей, резко усложняют трансмиссию, ставят лебедку, вводят шины с регулируемым давлением воздуха и, следовательно, с увеличенной площадью контакта с грунтом. Траки гусеничных машин делают настолько широкими, насколько это позволяют конструктивные соображения. Агрегаты всех армейских машин защищают от попадания влаги и пыли, водителя — от ослепления фарами, специальные устройства обеспечивают стабилизацию теплового режима при холоде и жаре…