Math    schooL

 

 

Сергей Алексеевич Чаплыгин

1869–1942

 

Пока есть ещё силы, надо бороться… надо работать.

С.А. Чаплыгин

 

Сергей Алексеевич Чаплыгин (5 апреля 1869 – 8 октября 1942) – русский и советский учёный в области теоретической механики, академик АН СССР. Вместе с другим великим русским учёным Жуковским Чаплыгин стоял у истоков авиационной науки, один из основоположников современной гидроаэродинамики.

Сергей Алексеевич Чаплыгин родился в Рязанской губернии в городе Раненбурге. Отец будущего учёного, Алексей Тимофеевич, служил продавцом в лавке, а мать, Анна Петровна, красивая, добрая женщина, вела домашнее хозяйство. Родители жили дружно, но семейное счастье продолжалось недолго. Когда Серёже было два года, отец умер от холеры, свирепствовавшей тогда в тех местах.

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

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

Давыдов оказался не лучшим семьянином и оставил Анну Петровну одну с пятью детьми на руках. На старшего Сергея легли дополнительные заботы. После занятий в гимназии он бежал домой помогать матери по хозяйству, а затем отправлялся давать уроки. Сергей учился на отлично, все знали о его необычайных способностях и приглашали заниматься со своими отстающими детьми. Сергей учил сыновей зажиточных горожан математике, немецкому и греческому языкам, латыни. В тринадцать лет он стал кормильцем семьи.

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

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

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

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

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

Усиленные занятия Чаплыгина по изучению движений твёрдого тела привело его к фундаментальным открытиям в области построения общих уравнений механики.

В курсах теоретической механики излагается удобный и достаточно простой приём изучения механических движений методом обобщённых координат Лагранжа. Уравнения механики в форме Лагранжа позволяют исследовать как движения свободного тела, так и движения тел несвободных – подчинённых ограничениям геометрического характера, накладывающих условия на положение точек тела. Метод уравнений Лагранжа является одним из наиболее плодотворных в самых различных отделах механики. Однако этот метод непригоден для изучения движения тел, когда ограничивающие условия накладываются не только на положение точек тела, но и на скорости этих точек. Так, например, во всех механических задачах катания тел по неподвижной шероховатой поверхности скорости тела в точках соприкосновения тела с поверхностью обращаются в нуль; следовательно, здесь мы имеем дело с условиями не только геометрического, но и кинематического характера.

Уравнения Лагранжа к такого рода проблемам не применимы. Заслугой Чаплыгина является обобщение уравнений Лагранжа на случаи движений с ограничениями, налагаемыми на скорости некоторых точек движущегося тела. Полученные им обобщённые уравнения движения вошли в курсы механики под названием уравнений Чаплыгина.

Много внимания Сергей Алексеевич уделял работе со студентами. В разное время он преподавал во многих московских высших учебных заведениях: университете, высшем техническом, инженерном и коммерческом училищах, лесном и межевом институтах, на высших женских курсах, организатором и директором которых он был в 1905–1918 годах. Им написаны учебники «Механика системы» (1905–1907) и «Пропедевтический курс механики» (1915) для втузов и естественных факультетов университетов.

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

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

Коротко суть работы «О газовых струях» в следующем. Когда тело движется в потоке воздуха, то оно испытывает аэродинамическое сопротивление. Это сопротивление тем больше, чем больше скорость перемещения. Чаплыгин показал, что для скоростей движения, не превышающих 100 м/с, аэродинамическое сопротивление пропорционально квадрату скорости. Если скорость приближается к скорости звука (в воздухе она примерно равна 331 м/с), то для нахождения величины лобового сопротивления необходимо решить ещё одно дифференциальное уравнение, которое и было изучено Чаплыгиным.

Следует указать на чрезвычайную сложность рассмотренных Чаплыгиным проблем. Нужны были необыкновенная проницательность и высокое аналитическое искусство, чтобы в решении этих задач, над которыми трудились выдающиеся умы науки, сделать значительное движение вперёд. Уже эти первые научные исследования характеризуют стиль Чаплыгина: необычайная отточенность предложений, сжатость и даже, можно сказать, скупость в выводах, строгая постановка и формулировка проблем с выставлением на вид всех ограничивающих предположений, затем профессионально-математическое исследование. Никаких отступлений и рассуждений по аналогии, всё в рамках строгой логической последовательности суждений. Почти никаких утверждений о важности и актуальности поставленной и решённой задачи, столь излюбленных и пространных у большинства современных авторов. Геометрические образы носят вспомогательный характер. Большинство геометрических построений не приводится на фигурах и чертежах; излагаются лишь пути их построений в виде сжатых рецептов, расшифровка которых требует больших усилий и напряжённости внимания. Обзоры результатов предшественников даются в отчеканенной изящной трактовке, где в немногих словах содержится всё наиболее существенное. Мотивы научных изысканий Чаплыгина настолько скрыты, что даже специалисты-механики при чтении его работ с трудом обнаруживают, почему поставлена данная задача, какие проблемы науки или техники привели к её выдвижению. Темы исследований Чаплыгина, как правило, значительно опережали состояние и потребности бурно развивающейся мировой авиационной техники и промышленности.

Эффективность предложенного учёным способа расчёта плоских газовых потоков и сделала работу «О газовых струях» наиболее выдающимся исследованием по газовой динамике за полвека её развития.

Эта работа стоит особняком в творчестве учёного, и судьба её необычна. Она долго оставалась непонятой и неоценённой современниками. В то время, когда авиация делала свои начальные шаги, учёный писал о движении со скоростями, близкими к скорости звука.

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

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

В 1910 году учёный выступил на заседании Московского математического общества с докладом, в котором показал, как можно подсчитать циркуляцию при обтекании крыла потоком воздуха.

Таким образом, если Жуковский сделал первый фундаментальный шаг в объяснении возникновения подъёмной силы крыла самолёта, то Чаплыгин сделал второй фундаментальный шаг, показав, как можно вычислить реальную подъёмную силу крыла самолёта.

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

После Октябрьской революции Сергей Алексеевич вернулся в университет. Чаплыгин принял революцию и сознательно посвятил свою дальнейшую жизнь развитию отечественной науки. В годы Гражданской войны профессор Чаплыгин работал в Комиссии по артиллерийским опытам при Главном артиллерийском управлении РККА (Косартоп) и в Научно-экспериментальном институте путей сообщения. В 1917 – 1922 годах вновь был профессором Московского университета. Было трудное время. Трамваи не ходили, и на занятия профессора и студенты добирались пешком. Здание университета не отапливалось, и в аудиториях все сидели в пальто и шапках. Но, несмотря на эти трудности, жизнь университета шла своим обычным порядком. Преподаватели в точно назначенное время входили в аудитории и начинали занятия с немногочисленными тогда студентами.

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

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

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

Ещё в 1914 году Чаплыгин выполнил исследование «Теория решётчатого крыла», которое также на десятилетия опередило своё время. В нём Чаплыгин пришёл к парадоксальному на первый взгляд выводу: крыло в виде жалюзи обладает большей подъёмной силой и более устойчиво в полёте, чем сплошное крыло такого же размера.

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

"Теория решётчатого крыла", в которой заложены основы теории обтекания решёток циркуляционным потоком, является базой для расчёта винтов, турбин и других гидравлических машин.

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

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

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

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

Решётчатые крылья были установлены на космических кораблях серии «Союз» (это элемент аварийного спасения кабины с космонавтами), на судах с подводными крыльями, на морских кораблях для стабилизации их во время качки. Теперь составные и решётчатые крылья – это обычный элемент многих транспортных систем.

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

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

В 1933 году Чаплыгин был награждён орденом Ленина.

Указом Президиума Верховного Совета СССР от 1 февраля 1941 года

За выдающиеся научные достижения в области аэродинамики, открывшие широкие возможности для серьезного повышения скоростей боевых самолетов

и в день 50-летнего юбилея научной деятельности академику Сергею Алексеевичу Чаплыгину присвоено звание Героя Социалистического Труда. С.А.Чаплыгин стал первым отечественным ученым – Героем Социалистического Труда.

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

Сергей Алексеевич Чаплыгин умер от кровоизлияния в мозг 8 октября 1942 года в Новосибирске, не дожив до Победы, в которую свято верил и для которой самозабвенно трудился. Последние написанные им слова были:

Пока есть ещё силы, надо бороться… надо работать.

Чаплыгин в труднейших областях аналитической механики, теории крыла, теории механизированного крыла, неустановившегося движения и аэромеханики больших скоростей выступил как созидатель новых оригинальных методов исследования. Эти методы вошли в сокровищницу мировой науки как фундамент рациональных расчётов аэроплана.

Во всех этих методах Чаплыгин выступает не только как талантливейший представитель русского народа, понимающий задачи развивающейся промышленности и всего умственного прогресса, но в своей специальной области указывающий пути этого прогресса.

Чаплыгин – непревзойдённый аналитик. Самые головокружительные вычисления не являлись для него препятствием. Более того, он проделывал большинство этих вычислений без карандаша, путём чистого созерцания, чистой мыслительной операции.

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

Своеобразие и самобытность творческого таланта Чаплыгина изумляли и восхищали его современников.

За выдающуюся научно–исследовательскую и организаторскую деятельность Чаплыгин был награждён:

  • Званием Героя Социалистического Труда (1941);
  • двумя орденами Ленина (1931,1941);
  • двумя орденами Трудового Красного Знамени (1927, 1931);
  • премией имени Н.Е. Жуковского (1925).

Именем Чаплыгина названы:

  • премия им. С.А. Чаплыгина Академии наук  «За лучшую оригинальную работу по теоретическим исследованиям в области механики»;
  • Золотая медаль имени С.А. Чаплыгина Российской АН (Присуждается с 1993 года за выдающиеся теоретические работы по механике)

Золотая медаль имени С.А. Чаплыгина Российской АН (Присуждается с 1993 года за выдающиеся теоретические работы по механике)

  • город Чаплыгин (Липецкая область) (бывший Раненбург, родной город учёного);
  • Сибирский научно исследовательский институт авиации в Новосибирске;
  • улицы в Москве, Новосибирске и Жуковском;
  • кратер на обратной стороне Луны;
  • аэродинамическая лаборатория в ЦАГИ.

На территории ЦАГИ установлен памятник С.А. Чаплыгину.

В Новосибирске в честь Чаплыгина установлены мемориальные доски:

  • на доме, где жил ученый;
  • на корпусе № 1 СибНИА;
  • на аэродинамической трубе Новосибирского авиационного колледжа.

Имя Чаплыгина носят следующие объекты естествознания:

  • метод Чаплыгина;
  • парабола Чаплыгина;  
  • уравнения Чаплыгина;
  • постулат Жуковского – Чаплыгина.

 

По материалам сайтов: nplit.ru, warheroes.ru и Википедии, книг: Д. Самин «100 великих учёных» (Москва, «Вече», 2004 год) и Математический энциклопедический словарь (Москва, «Советская энциклопедия», 1988).

 

Нам 4 года!

14 марта 2016 года сайту Математика для школы|math4school.ru исполнилось 4 года. Поскольку число 4 для нашего сайта не чужое, мы решили подвести некоторые итоги.

Новый формат главного меню

Расширены функциональные возможности главного меню.

Галерея на сайте math4school.ru
Приглашаю посетить Галерею, – новый раздел на сайте.

444 года со дня рождения Иоганна Кеплера

27 декабря 2015 года исполнилось 444 года со дня рождения Иоганна Кеплера.

Новый раздел на сайте math4school.ru

Закончена работа над новым разделом сайта Работа над ошибками.

Союз образовательных сайтов