Гортаючи науково-популярні журнали минулого століття, знайти можна цікаві речі, а заодно і переконатися, що таємниці, які нібито вже розкриті, насправді ними і залишились. Так в на кінець 1981року ("Техника-Молодежи") надруковано цікаву статтю "О Дюбуа - парадоксе и человеке". Спробуємо з цим розібратися, та спочатку проглянемо скорочений варіант.
1. Парадокс Дюбуа, чи таїть він у собі таємницю природи
В сьомому томі Повного зібрання творів М.Є. Жуковського (1847-1921) є стаття "Про парадокси Дюбуа", в якій він дає вирішення проблеми, яка більше століття ставила в тупик гідравліків.
Хто ж такий був Дюбуа і в чім полягає парадокс вирішений Жуковським?
Не будемо вникати в біографічні подробиці про Дюбуа, для цього вистачить і Google.
Основною заслугою Дюбуа вважається незвичайне відкриття, згідно якого опір тіла - є наслідок надмірного тиску перед його носовою частиною і розрідження - "безтисковість" за кормовою. Але крім цього і ряду інших важливих відкриттів йому належить честь виявлення досить загадкового явища, яке увійшло в історію науки як "парадокс Дюбуа".
З часів Ньютона вчені вважали, що в гідродинамічних явищах стосовно буде застосований принцип відносності, згідно якого наслідки дослідів не залежать від того, що відносно чого рухається: чи вода набігає на нерухомо закріплену пластину або кулю, чи, навпаки, пластина або куля проноситься крізь нерухому воду. Дюбуа на практиці переконався, що це не так. Рухати тіло в нерухомій заваді, виявляється, легше, а ніж утримувати його в набігаючім з такою ж швидкістю потоці. Причім різниця цих опорів може сягнути тридцяти відсотків.
Цілих сто років "парадокс Дюбуа" не знаходив пояснення. Особливо багато займався цим колега Жуковського по Московському університеті Ф.Е. Орлов.
Можливо, дійсно він побудив Жуковського взятися за розробку цього втаємниченого феномену. Так чи інакше до 1891 року Микола Єгорович блискуче розв'язав проблему, показав, що у воді, яка рухається відносно дна і берегів річки або каналу, виникають завихрення, яких немає в спокійній рідині. Вони то і збільшують опір нерухомо закріпленого тіла. Якщо прийняти спеціальні міри проти виникнення завихрень в потоці, то "парадокс Дюбуа" не виникає, опір нерухомого і буксирного тіла рівні.
Жуковський вважав, що найпростіший спосіб уникнути виникненню завихрень - це "приведення в рух всього озера разом з його дном і берегами". Поклав цей принцип в основу приладу, спеціально побудований ним і його учнем В.В. Кузнецовим, Жуковський експериментально довів правильність свого пояснення.
Микола Єгорович гордився цим дослідженням і в 1911 році підніс прилад, з допомогою якого було розв'язано "парадокс Дюбуа", в подарунок Політехнічному музею. Г. Котлов.
Тут нарочито процитовано майже всю замітку, так як не завжди для читача може знайтися під руками цей номер журналу в потрібен час. Це - одного боку. А з другого - робити аналіз всліпу, з наукового погляду буде це нерозумно. Тим паче, що і сам читач любить порозмислити на основі даних інформації та самостійно прийти до того, чи може, суперечливого висновку. Хоч замітка і невеличка, проте заслуговує великої розмови, так як в ній відображено нині існуючий погляд в науці на даний "парадокс". От і ставиться питання, чи правильним був цей погляд колись і чи не являється він хибним сьогодні?
Тому найпершим чином ставляться такі запитання.
- Чи дійсно Жуковський зумів блискуче вирішити проблему "парадоксу Дюбуа"?
- Чи існує проблема "парадоксу Дюбуа" взагалі, чи існує проблема самої науки по відношенню розкриття таких і подібних явищ в природі? Що від чого залежне? Чи не шкідливо для науки так бездумно користуватися принципом відносності?
Парадокси в сприйняті істини
Почнемо з залежності. Якщо сказати по простому, то не парадокси залежать від науки, а наука залежить від парадоксів. І все це тому, як вона вміє розв'язувати загадки природи. А це в свою чергу залежить від того, на якому ступені зрілості вона підходила до таких і подібних проблем. Загадкові явища - це натура природи. А наші судження про них - це вже справа науки. Логічно, творцем науки є не природа, а сама людина, яка намагається впізнати істині сторони природи. По мірі розв'язання сукупності проблемних явищ природи й оцінюється ступінь розвитку науки. На якому ступені розвитку вона стояла в той чи інший час, такої якості й давала вона плоди в розв'язуванні проблем. І в цій справі виявляється одна цікава особливість теж парадоксальна на перший погляд: кожен вік історичного розвитку науки, можна сказати впевнено, цілком задовольнявся своїми відкриттями навіть діаметрально протилежними істині. І чим довше такі не сходили з наукової арени, тим в вагомішій формі вони набували громадянства правдоподібності. Прямо таки їх вважали істинними поза всяким сумнівом. Інші такі ж утримувалися на висоті й повазі завдяки відсутності мірил і понять про дійсні закони природи, якими можна було б перевірити істину відкриттів. Адже форма явища і його зміст не завжди йдуть поруч в одній упряжці по-природньому. Найчастіше - врізнобіч.
Людина вже хто-знати з якого часу почала підмічати опір рухові тіла в рідині, але як видно, на наукову основу першим поставив цю проблему Дюбуа. А на даний час ми вважаємо, що цю проблему вже вирішено остаточно М.Є. Жуковським. І дана колишня проблема стала настільки ясною і зрозумілою, що і нічого більше про неї і немає що сказати, і нічого додати нового.
А якщо сказати відверто, то Жуковський не так то вже й блискуче вирішив цю проблему дійсно по-науковому. Скоріше всього він ще більше ускладнив її і закрив доступ до подальшого її вирішення. Він просто приспав допитливість людського розуму своїм великим авторитетом.
А Жуковський, все таки, так і не вирішив проблему парадоксу Дюбуа
Якби ця проблема була вирішена ним в дійсності, то була б і розв'язана ним проблема підіймальної сили крила, в чому він найбільше приділяв уваги в своїй практичній і науковій діяльності. "Парадокс Дюбуа", настільки тісно переплітається з проблемою підіймальної сили крила, що їх аж ніяк не можна розглядати окремо, а тільки сукупно, об'єднавши спільним змістом зі спільними законами природи, які обслуговують ці явища руху і пояснюють їх причинно-спадковий зміст.
"Парадокс Дюбуа" розв'язується дуже просто, якщо опиратися на дійсні закони природи, які породжують його, а не на видиму обманливість. Саме цим й скористався М.Є. Жуковський.
Дюбуа цілком правильно осмислив, що опір - це є надлишковий тиск, який виникає в носовій частині рухомого тіла. Виявив він і недостачу тиску навіть нормального позаду рухомого тіла - в його кормовій частині. Але причини цих контрастів він так і не зумів збагнути. Він лише правильно визначив спадковість нерозкритої причинності. А виявлене явище залишилося незаперечним фактом дійсності без належного роз'яснення не на сто літ, як це сказано в журнальній замітці, а далеко більше, як на півтора сотні літ.
Хоч в науці й прийнято вважати проблему "парадокса Дюбуа" вирішеною, проте слід вказати на найпершу помилку у її вирішенні: без виявлення дійсної причинності, спадковість якої виявив Дюбуа, саму спадковість прийнято вважати причинністю. Тільки так можна назвати блискуче вирішення проблеми М.Є. Жуковським. Але його ні докоряти, ні обвинувачувати за це не можна. Він був всього-на-всього представником науки свого часу і свого ступеню розвитку. Ні Жуковський і ніхто інший тих часів чогось іншого й ліпшого про "парадокс Дюбуа" не міг сказати, не скориставшись наявним багажем наукових надбань тієї пори. Ні йому, Жуковському, ні комусь іншому з науковців не було відомо про зміст дійсно існуючих законів природи, які обумовлювали опір в русі тіл - опір нерухомого тіла в рухомому середовищі і рухомого тіла в нерухомому середовищі. Цих два види появи опору якраз і обумовлюються не одним якимось сформульованим законом, а двома окремо взятими дійсно законами природи.
Хоч "з часів Ньютона вчені вважали, що до гідродинамічних явищ застосовний принцип відносності, згідно якого наслідки дослідів не залежать від того, що відносно чого рухається" вважалося за правильне, проте така думка призводила лише до спрощування, до вульгаризації науки. А це в свою чергу не приносило чогось на користь науки, якщо не на навпаки.
2. Причина омани в ігноруванні закону інертності
Щоб пояснити було, чому появляється надлишковий тиск перед носовою частиною рухомого тіла в нерухомому середовищі, науковці повинні були скористатися поняттям інертності тіла, як законом природи, як природженою властивістю будь-якого тіла, рідини чи газоподібної речовини, - властивістю зберігати стан спокою і прагнути до нього навіть під час руху.
В науковому арсеналі, ще з часів Ньютона існувала про це згадка і не більше, як історична відомість про його думку. Ніде і ні в чім цією думкою чомусь не скористувався науковий світ ні тоді, ні навіть тепер на більш вищому етапі цивілізованому розвитку. А саме цією властивістю і пояснюється причина появи надмірного тиску нерухомого середовища на носову частину рухомого тіла. Здається, що тут і немає якихось ознак незборимих труднощів, щоб осмислене це зрозуміти і прийняти за істину.
Закон інертності і рух в нерухомому середовищі
Для прикладу розглянемо самий найпростіший дослід руху дерев'яної круглої палички у невеличкому спокійному водоймищі, навіть у ванній.
Проведемо підряд три досліди і порозмислимо над їх наслідками зокрема та підсумуємо висновки.
- Проведемо паличку повільно. Наслідки: прикладені зусилля руки незначні; вода повільно обтікає корпус палички і змикається зразу ж позаду неї, залишаючи малопомітний слід збурення на її поверхні.
- Створимо швидке переміщення зануреного кінця палички у воді. Наслідки: уже потрібні для цього більші зусилля руки; вода не змикається позаду палички, а як би утворюється пустотний простір між кормовою частиною палички і стінками води, що неподалік починають змикатися. По проведеному сліду на поверхні води уже помітним став ланцюжок невеличких завихрень.
- Занурений кінець палки проведемо досить швидко - різким помахом руки. Наслідки: потрібні були ще більші зусилля руки; по обидва боки струмені води здіймалися вгору і перетворювалися в бризки, розлітаючи врізнобіч; це мали бути завихрення, залишався гладенький жолобкуватий слід, обрамлений хвильками, що розбігаються.
Запитується, чому всі три досліди не були подібними між собою? Чому для кожного з них зокрема потрібна була певна величина зусилля руки? Чому так відчутно реагувала рідина на певну швидкість руху?
Перш за все ми повинні звернути увагу не на рухому палку, як на необхідне знаряддя досліду, а на нерухому рідину, яка по-різному реагує на нашу поведінку з нею.
Щоб переміститися круглому об'ємному тілу з місця на місце у воді, потрібно для цього прокласти собі вільний шлях. А щоб прокласти такий, потрібно згідно власного об'єму зануреної палки перемістити з одного місця на інше такий же самий об'єм рідини. Потрібні для цього зусилля руки? А хіба ми не прикладаємо зусилля, якщо хочемо взяти склянку води зі стола? Звісно, зусилля потрібні. Адже вода має свою власну масу, свою вагу. А раз тіло володіє власною масою, то воно і повинно володіти природженою властивістю зберігати стан спокою і чинити опір до руху, простіше кажучи, відстоювати свій стан спокою перед тим тілом, яке намагається вивести його з цього стану і надати йому певну швидкість руху. Значить, рухаючи вздовж прямої занурену у воду паличку, ми по суті справи виконуємо роботу по переміщенні з місця на місце такої кількості води, яка дорівнює об'єму зануреної палки помноженої по всій довжині пройденого шляху. В досліді цього не видно, а коли подумати? Ось де і для чого витрачаються зусилля руки.
Може виникнути запитання, хіба за кожним разом дослідження палка захвачувала й переміщувала більшу і більшу кількість води, на що й потрібно було зростання зусилля?
Ні. Щоб зрозуміти, чому потрібне було зростання зусилля руки, попросимо відповіді не в загальної кількості води, а в її окремих часточок - молекул. Запам'ятаймо, що ми повинні дотримуватися того ж самого поняття: молекула, як окрема частина, так само наділена природженою властивістю, тією ж самою інертністю.
Якщо передня стінка рухомої палки тисне на молекулу, то що повинна робити остання? Згідно своєї природної властивості молекула чинить опір, але під натиском переважаючої сили змушена переміщуватися з місця на місце, діючи своїм рухом на спокій інших сусідніх молекул, примушуючи їх теж до руху в напрямку дії сили палки. Так як поверхня діючого тіла півкругла, то і напрям дії сили на оточуючі молекули буде різним: одних молекул, що розташовуються по осьовій лінії, гонить наперед себе; других, що збоку, косим ударом відганяє вбік. Згодом молекули розступаються в різні боки і пропускають повз себе рухоме тіло.
Так як в рідині існує бічний тиск до зрівноважування всієї маси згідно закону Паскаля, то скоро після проходження молекули знову змикаються позаду тіла, займаючи свої попередні місця. Чогось іншого вони не зазнають, окрім примусового переміщення з одного місця на місце друге.
Справа інша, вона в другому варіанті дослідження. Вплив на молекулу води буде вже різкішим, з більшим зусиллям. А це в свою чергу і надає їй іншого характеру поведінки. При швидкому переміщенні сферичної поверхні в рідині відбувається і сильніший удар по молекулах, які в свою чергу набувають швидшого інерційного руху в різні боки, а заодно і з більшою силою вони тиснуть на сусідніх молекул в напрямі свого руху. Чому в другому варіанті вода не зімкнулася зразу ж за палкою? Чому позаду палки утворився вільний повітряний простір замість води? Тому, що під час швидкого руху палки її півкругла поверхня надала часточкам води чималого інерційного руху в боки і при чім з переважаючою силою над силою бічного стискування. А тому і виходить так, що тіло палки швидше проскакує повз спрямований рух частинок в різні боки від палки, а ніж ці часточки втрачають силу спрямованого руху і почнуть зворотній рух, тобто почнуть повертатися назад докупи під дією бічного тиску загальної маси рідини за законами гідростатики.
Чим більшого інерційного руху надати тим часточкам рідини, які безпосередньо стикалися з півкруглою поверхнею палки, тим глибше вони проникатимуть і товщу рідини, тим більшу кількість інших часточок вони спрямують на такий рух, тим довше затримається час їх зворотного руху. А завдяки цього й виникають бічні стінки води позаду палки, між якими і утворюється незаповнений простір. І тільки як ослабне інерційний рух часточок врізнобіч, як почне переважати над силою їхнього руху сила бічного стискування, тільки тоді починає змикатися слід з відповідним динамічним станом - з ланцюжком завихрень.
Як ми побачили, в третьому варіанті досліду можна надати прилеглим часточкам води такої швидкості руху в-боки, що вони взагалі, здійнявшись в повітря бризками, полетять по інерції. А для того, щоб перемістити ці часточки води з місця на місце, переборюючи їх опір інертності і опір тертя, надати їм інерційного руху в повітрі і потрібно прикласти чимало зусиль. І набагато більше, а ніж при спокійному і повільному їх переміщенні. А цей факт хіба не говорить сам за себе? Хіба він не говорить, при якій умові зростає сила опору?
Якби рідина не володіла природною властивістю зберігати стан спокою і чинити опір дії зовнішньої сили навіть перебуваючи в стані руху, то ми могли б завжди скористуватися однією величини сили і надавати тілу будь-якої швидкості. Практично не так воно виходить: чим вищої швидкості руху ми хочемо досягти, тим більших зусиль ми повинні прикласти. Це - вже очевидне і незаперечне. Прикладів хоч відбавляй. А звідки береться така закономірність? Не з тертя ж, як це ми звикли думати і всю вину спирати на нього. Тертя - це ширма, через яку ми не можемо побачити правди. Ми самі зробили з мухи слона.
Оманливість в перебільшенні впливу завихрень
Отже, надлишковий тиск спереду рухомого тіла в нерухомому середовищі - це процес переборювання, подолання стійкості нерухомих часточок рідини і надання їм певної швидкості руху. А сила такого тиску і є величина опору.
Дюбуа відкрив понижений тиск позаду рухомого тіла, що теж для нього було загадкою. Думається, що про це не варто багато говорити, так як вже сказано про дану причину мимоволі при розгляді другого варіанту досліду. Який же може бути тиск вищим або нормальним, якщо в кормовій частині рідина не встигає змикатися. І простір цей просто заповнюється повітрям і то з певним запізненням, чим і обумовлюється понижений тиск.
Ось в цьому просторі - за кормою рухомого тіла - і підмітив М.Є. Жуковський те, що стало йому на перешкоді побачити дійсну причину появи надлишкового тиску спереду рухомого тіла.
Понижений тиск. Турбулентний рух. Завихрення. Все це цілком по-природньому. І не тільки в дослідах, а й в природі взагалі. Ще якби йому був відомий механізм формування завихрень, можливо, ці завихрення його не полонили б, і він пішов би по правильному шляху пошуку справжніх причин появи опору. Захопила його настирлива очевидність. А така найчастіше буває видимою обманливістю. Відомий вчений В.Н. Комаров сказав було так: "Весь досвід впізнання природи і, особливо, історія астрономії переконливо доводить, що "наочність" - досить ненадійний порадник при вирішенні наукових питань".
Вихори в затильній частині тіла і послужили ненадійним порадником для М.Є. Жуковського. Він цілком осмисленно співставляв швидкість руху тіла з появою завихрень позаду нього. Чим швидше рухалося тіло, тим в більшій мірі формувалися завихрення. Але одночасно з цим чітко виступала і своя залежність: чим більше завихрень, чим вони потужніші, тим в більшій мірі зростала сила опору. Хіба все це разом взяте не вказує прямо пальцем на завихрення, як на пряму залежність, що саме вони являються причиною опору? Відсутність завихрень - і опір зменшується до мінімуму. Це ще раз підтверджує попередній висновок.
Дуже спокуслива "наочність" для виведення категоричного висновку. Але чи до правильного? Чи розкриває ця наочність правильне розуміння дійсної причини? Тут саму спадковість причинності прийнято вважати причинністю причини. А це вже і нелогічно, і антинауково, проти-природньо.
Про причини опору вже сказано. Але щоб не вкрадався сумнів щодо достовірності такої, варто розглянути й послідовність, як побічний продукт, який після неї залишається. Раз завихрення не причинність опору, а лише спадковість причинності, то що ж воно таке? Який механізм їх формування?
3. Механізм формування завихрень
4. Поетапний генезис утворення вихорів
5. Все таки Ньютон прав, та його не послухали
6. Парадокс Дюбуа і його суть