Физика победы

Великая Отечественная война отличалась многочисленными разработками, созданными изобретателями с обеих сторон. Для осуществления стратегии быстрой войны «Blitzkrieg» немцы в течение всей кампании точечно усиливали армию множеством различных устройств. Перед советскими учёными стояла непростая задача. Им нужно было в кратчайшие сроки разрабатывать и отвечать противнику точными контрвыпадами. Физики не оставались в стороне, и за период войны отличились полезными для армии находками, о десяти из которых мы и расскажем вам.

Сможете ли вы, физики из настоящего, повторить эти эксперименты со схожими физическими явлениями, которые привели к научным открытиям в прошлом?

размагничивание кораблей

В 1941 году во время битвы за Севастополь «Вермахт» использовал тяжёлые бомбы весом в 250 килограмм взрывчатки для уничтожения кораблей черноморского флота. Эти бомбы реагировали на изменение магнитного поля, которое происходило при сближении с ними любого корабля с металлическим корпусом.

В ответ на это советские физики из ленинградского ЛФТИ изобрели устройства размагничивания советских кораблей. О такой работе с судами в своей книге «Размагничивание кораблей черноморского флота в годы Великой Отечественной войны» написал один из работников ЛФТИ. Его звали Виктор Дмитриевич Панченко. Автор писал, что вместе с размагничиванием кораблей учёные вели и научные работы по определению степени влияния боевых действий на изменение магнитных полей кораблей. На судах начали закреплять обмотку, пропускающую ток. В результате, магнитное поле этих кораблей компенсировалось магнитным полем тока, и взрыватели мин попросту не срабатывали при сближении.

Эта разработка проводилась в рамках особых станций безобмоточного размагничивания. Среди множества инженеров, работали и учёные Анатолий Петрович Александров и Игорь Васильевич Курчатов.

23 марта 1910, Украинская ССР, Сталинская ж/д, ст. Долгинцево — 13 июня 1989, Москва

советский инженер, возглавлял Отделение размагничивания кораблей

Виктор Дмитриевич Панченко

31 января [13 февраля] 1903, Тараща, Киевская губерния — 3 февраля 1994, Москва

советский физик, один из основателей советской ядерной энергетики

Анатолий Петрович Александров

21 января 1903 или 30 декабря 1902 [12 января 1903], Симский Завод, Уфимская губерния — 7 февраля 1960, Барвиха, Московская область

советский физик, «отец» советской атомной бомбы

Игорь Васильевич
Курчатов

Шлифовальный станок с применением магнитной дефектоскопии

В интенсивных условиях Великой Отечественной войны советские промышленные работники стремились минимизировать количество возможной бракованной продукции.

Физики способствовали решению этой сложной задачи. Они модернизировали шлифовальный станок, применив к нему метод магнитной дефектоскопии. Он помог улучшить оценку качества металлической продукции, используемой в военных целях. К ней, например, относились различные боевые снаряды.

Как же работал этот метод, полезный в военной промышленности? При внедрении такой дефектоскопии в производстве использовалось оборудование с непрерывным измерением частей какого-либо изготовляемого объекта. Основой измерения был анализ магнитного поля.

Используя этот метод, промышленники могли обнаруживать различные дефекты самого металла, из которого и состоял продукт. В течение войны советские промышленники улучшили производительность у непрерывно работающих станков, благодаря изобретению физиков, повысивших качество их работы.

Бронебойность танков и снарядов

В 1943 году немецкая промышленность была направленна на подготовку своей армии к попытке контрнаступления под Курском. Перед готовящейся операцией на полях восточного фронта пошли в ход все новые танки «Вермахта»: «Фердинанд», «Пантера» и «Тигр». Советские танкисты не могли пробить их броню, уже имеющимися на вооружении, снарядами. Физики в СССР работали над повышением их бронебойности.

На бронебойность танка и снаряда влиял целый комплекс различных факторов. Это кинетическая энергия полёта снаряда, концентрация силы его удара, прочность материалов снаряда и брони танка. Также на бронебойность влияли особенности некоторых снарядов, таких как: подкалиберные с сердечником из плотных материалов и кумулятивные с зарядом, разрывающимся с волной из металлов и газов. Для увеличения твёрдости стали в неё следовало добавлять вольфрам. Однако систематизировать производство таких снарядов в кратчайшие сроки было невозможно в условиях, в которых находилась советская промышленность.

Тогда специалисты нашли выход из ситуации: они предложили изготовление снарядов с добавлением вольфрамистого порошка, что было возможно для массового производства. Это привело к увеличению бронебойности снарядов по отношению к броне танков немецкой армии.

Радиолокационные установки

В течение Великой Отечественной войны значительной ролью обладала радиосвязь. Благодаря её развитию, военные могли поддерживать контакт друг с другом на расстоянии или обнаруживать расположение противника. Однако дальность такой полезной функции связи была не безгранична. Связь осуществлялась лишь на определённом расстоянии, и при выходе за пределы её доступности контакты союзников или противников терялись в пространстве.

На улучшение радиолокации и обратили внимание советские физики, среди которых за практику отвечал Абрам Фёдорович Иоффе, а за теорию – Владимир Александрович Фок, Леонид Исаакович Мандельштам и Николай Дмитриевич Папалекси. В передатчике возникают электромагнитные колебания, благодаря которым и появляются радиоволны. Волны движутся сквозь пространство и достигают приёмника, который ловит сигнал.

Физикам нужно было создать радиолокационную технику, способную улавливать нахождение и движение самолётов на большом расстоянии. Работе техники также не должна была мешать и погода. Такое устройство высокой дальности было разработано в лаборатории Юрия Борисовича Кобзарева. Это была радиолокационная установка, с помощью которой было возможно обнаруживать авиатехнику на расстоянии в пределах от 100 до 145 километров. Это улучшение значительно увеличило дальность видимости советских воздушных и противовоздушных вооружённых сил.

25 ноября (8 декабря) 1905, Воронеж — 25 апреля 1992, Москва

советский учёный, один из основоположников радиолокации в СССР

Юрий Борисович Кобзарев

20 ноября (2 декабря) 1880, Симферопль— 3 февраля 1947, москва

российский и советский физик, основоположник советской радиоастрономии

Николай Дмитриевич Папалекси

22 апреля [4 мая] 1879, Могилёв — 27 ноября 1944, Москва

русский и советский физик, один из основателей школы радиофизики

Леонид Исаакович Мандельштам

10 (22) декабря 1898, Санкт-Петербург — 27 декабря 1974, Санкт-Петербург

советский физик-теоретик, автор трудов по квантовой механике

Владимир Александрович Фок

Термоэлектрогенераторы

Ставшую важной составляющей войсковой деятельности Великой Отечественной войны – связь невозможно было обеспечивать без питания радиоприёмников и передатчиков. Именно они проводили и ловили сигналы радиоволн. Вот только для их работы были необходимы какие-либо генераторы питания. Да и их применение в деле военных должно было обеспечиваться удобством.

Советские физики из комиссии по научно-техническим военно-морским вопросам во главе с Абрамом Фёдоровичем Иоффе создали термоэлектрогенераторы. Они состояли из термоэлементов, которые было возможно присоединить ко дну обыкновенного котелка. В котелке над костром находилась вода, которая с нагреванием повышала температуру части спаев термоэлектрогенератора. Температуру второй части спаев регулировало уже костровое пламя снизу, под котелком. Создавался перепад температур в интервале от 250 до 300 градусов, что и обеспечивало питанием радиоприёмники и передатчики у советских военных.

Создание такого устройства снабдило армейские формирования, удобным в использовании и в своём создании, и источником питания радиоаппаратуры.

17 (29) октября 1880, Ромны, Полтавская губерния — 14 октября 1960, Ленинград

русский и советский физик, именуемый «отцом советской физики»

Абрам Фёдорович Иоффе

Резонанс

Блокада Ленинграда продлилась 872 дня с 1941 по 1944 года, став сложным испытанием, проявлением героизма и стойкости Советского союза. Снабжение Ленинграда осуществлялось через транспортную магистраль «Дорога жизни». Только этот путь через Ладожское озеро связывал город со страной. Для перевозки грузов советским физикам пришлось решить сложную задачу.

Какими возможностями и масштабами грузоперевозок обладало само озеро во время начала своего замерзания или оттаивания? Такое физическое явление называется резонанс. Резонанс — это явление резкого возрастания амплитуды колебаний, когда частота вынужденных колебаний совпадает с собственной частотой физической системы. Он возникает при определенной частоте и скорости проезжающих машин.

Советским специалистам во главе с Павлом Павловичем Кобеко нужно было измерить прочность льда и рассчитать вес груза, который он сможет выдержать. Измерения прочности проводились в разных точках дороги жизни. Ученые выяснили на каком расстоянии и с каким грузом должны двигаться машины. Для прохождения грузовика с тонной груза через озеро по льду, его толщина по всей трассе должна была составлять не менее 20 см.
Эти расчёты помогли ленинградцам и их спасителям избежать множество аварий на коварном озёрном льду, который то оттаивал, то вновь замерзал.

31 мая [11 июня] 1897, Вильна, Российская империя — 6 января 1954, Ленинград, Российская СФСР, СССР

советский учёный-физик и физикохимик, специалист в области диэлектриков и сегнетоэлектричества

Павел Павлович Кобеко

Магнитный механизм для подрыва танков

В самом начале Великой Отечественной войны представители инженерных войск обратились к учёным с просьбой разработать сухопутную магнитную мину. Её механизм должен был получиться схожим с минами, используемыми против кораблей. Противотанковая магнитная мина работала, благодаря целому комплексу физических принципов. В частности, за счет комбинации магнитного притяжения, кумулятивного заряда и детонации. Осложнял задачу сам танк, весивший в десятки раз меньше корабля. Соответственно, его магнитное поле было не очень велико.

Уральским физикам удалось провести измерения магнитного поля танков на разных глубинах. Ученые доказали, что поле будет заметно для мины при условии минимального содержания металла в ней. Это условие было вызвано активным использованием металлоискателей, которые с лёгкостью находили мины. Для того, чтобы мина эффективней доходила до танка, ученым необходимо было придумать специальный сплав и конструкцию. В результате, общее количество металла, используемое для одной мины, ограничивалось 2-3 граммами, а магнит сплава способен был подорвать не только танк, но и другие средства передвижения противника.

Математическая теория вибрации

Авиация в довоенные годы переживала небывалое развитие. В середине 30-ых годов самолёты, при переходе на более высокую скорость полёта, разрушались из-за быстро нарастающей встряски. Такое физическое явление получило название «флаттер» - от английского слов дрожание, вибрация. Флаттер – результат резонанса и аэродинамики. Он проявлялся при достижении самолётом критической скорости, зависящей от аэроупругости конструкции. При возникновении эффекта резонанса, самолёты разрушались.

С 1934 года советские ученые из Центрального аэрогидродинамического института работали над этой проблемой. А Мстислав Келдыш и разработал математическую теорию «флаттера». Его научное открытие позволяло точно определить критическую скорость, при которой возникал флаттер. Затем и предложить меры, исключающие это явление.

Для борьбы с флаттером в носке крыла самолета, ближе к его концу, устанавливались балансировочные грузы. Применялось и смещение двигателей вперед по полёту. Топливо, размещённое в отсеках крыла, и увеличение высоты полета также влияли на критическую скорость флаттера. Критическая скорость флаттера зависит также от расположения элерона по размаху, увеличиваясь при смещении элерона от конца в среднюю часть крыла.
Лётные испытания, подкрепленные экспериментами в аэродинамических трубах, полностью подтвердили теорию. Поэтому ещё в 1939 году Народный комиссариат авиационной промышленности СССР обязал всех авиаконструкторов «проводить» через отдел Келдыша в ЦАГИ расчёт на флаттер всех самолётов новых конструкций

Благодаря этому открытию, советская авиация получила защиту от авиаколебаний. Эффективность самолётов на поле боя значительно увеличилась.

28 января [10 февраля] 1911, Рига, Российская империя — 24 июня 1978, Москва, СССР

советский учёный в области механики,крупный организатор советской науки

Мстислав Всеволодович Келдыш

После решения проблем с «флаттером», советским ученым предстояло справиться с проблемой «Шимми» (от англ. — танец, вибрация). Эффект «шимми» достигается из-за интенсивного колебания передней стойки шасси, приводящим к поломке самолёта во время его взлёта и посадки. Мстислав Всеволодович Келдыш в своей работе «Шимми переднего колеса трёхколёсного шасси» предложил решение проблемы и дал ряд инженерных рекомендаций. Келдыш вывел и доказал уравнение шимми, вращения стойки и её изгиба. Уникальность уравнения Келдыша позволяла не только рассчитать скорость возникновения шимми, но и подобрать параметры его предотвращения. За это научное открытие он был удостоен Сталинской премии в 1946 году.

Катюша БМ-13

БМ-13 «Катюша» - это легендарная артиллерийская установка, превратившаяся в настоящий символ советской армии со своим непрерывно поющим валом реактивных снарядов, летящих с небес на головы противника. Разработка БМ-13 началась до Великой Отечественной войны. К 1941 году имелось около 6-ти экспериментальных образца боевой машины. «Катюши» использовались для усиления стрелковых дивизий, увеличивая их огневую мощь и повышая стойкость в обороне. «Катюша» представляет собой относительно простую установку, состоящую из пусковой установки, реактивных снарядов, устройства наведения. БМ-13 работала по целому комплексу физических принципов.

Принцип работы «Катюши» основан на реактивном движении, которое описывается третьим законом Ньютона: «Действие равно противодействию». Реактивное движение работает следующим образом: при запуске ракеты пороховой заряд в двигателе сгорает, сопровождаясь высоким давлением и выбросом газов через сопло. В результате создаётся реактивная сила, которая задаёт импульс ракете. Далее, траектория полёта ракеты определяется законом баллистики. После запуска, под действием силы тяжести, ракета движется по параболической траектории. Устойчивость ракеты в полёте объясняется законом аэродинамики. Стабилизаторы создают сопротивление, которое помогает ракете сохранять направление, а обтекаемая форма корпуса снарядов позволяет увеличить дальность полёта из-за сопротивления воздуху.

«Катюша» получила широкое распространение благодаря простоте сборки и массовости реактивных залпов снарядов. БМ-13 стало одним из символов оружия победы.

Кислородная установка Петра Леонидовича Капицы

В 1942 году под руководством выдающегося физика Петра Леонидовича Капицы в Казанском университете был изготовлен первый экземпляр турбокислородной установки, называвшейся «Объект № 1». Ее производительность была до 200 кг/ч жидкого кислорода.

Как работала установка? Через фильтр атмосферный воздух засасывался поршневым компрессором и сжимается до давления 6–7 ата. Затем сжатый воздух охлаждался в водяном трубчатом холодильнике, проходил маслоотделитель и поступал в распределительную коробку регенераторов.

Из регенератора большая часть воздуха проходила через уравнителя температур, (где также фильтровался СО2), и поступала в турбодетандер. После расширения и понижения температуры воздух поступал в сжижитель.

Насыщенные пары воздуха проходили через трубки ожижителя и отдавали свой холод небольшой части воздуха, поступающего в межтрубное пространство, через обратный клапан. Сжиженный воздух через вентиль спускался в сборник, откуда через кран стекал в сосуд Дюара. Регенераторы, фильтр и сжижитель были снабжены вакуумной изоляцией.

Таким образом сжатый воздух разделялся на составляющие компоненты (азот и кислород), а потом кислород путём расширения в турбодетандере охлаждался
Кислород был нужен для медицины, производства взрывчатки, военных летчиков, совершавших дальние бомбардировочные полеты, и, главное, для разворачивающихся военных производств. Изобретение Капицы помогло расширить выпуск самолётов, танков и боеприпасов.

В 1942 году в Казани был изготовлен первый экземпляр турбокислородной установки, называвшейся «Объект № 1». Ее производительность была до 200 кг/ч жидкого кислорода. В начале 1943 года эта установка была запущена в эксплуатацию.

26 июня [8 июля] 1894, Кронштадт — 8 апреля 1984, Москва

советский физик, инженер и инноватор. Основатель Института физических проблем, начальник Главкислорода

Петр Леонидович Капица

«Прозрачная броня» - бронированное стекло для самолетов

В 1942-1943 годах под руководством профессора Московского химико-технологического института Исаака Ильича Китайгородского была решена сложнейшая научно-техническая задача - разработан рецепт получения бронестекла, прочность которого в 25 раз превосходила прочность обычного стекла. На его основе создали прозрачную пуленепробиваемую броню для кабин штурмовиков Ил-2, самых массовых самолётов Великой Отечественной войны.

Процесс изготовления стекла включал несколько этапов. Сначала готовился материал со специальной кристаллической структурой и микроэлементами. Он проходил закалку по секретным стандартам. После полученное стекло склеивали, избегая случайного попадания мусора и пыли. Также для склеивания использовали специальную полимерная плёнку: она помещалась между слоями стекла. При нагревании плёнка плавилась и надёжно соединяла слои. Далее стекло обрабатывалась герметиком - специальной пастой на основе по основе полимеров. Эта паста позволяла устранять зазоры. Наконец, готовое стекло проходило испытания на прочность.

Технология производства этого стекла держалась в строжайшей тайне, и противнику так и не удалось её воспроизвести.

Итогом изобретения Исаака Китайгородского стало прозрачное пуленепробиваемая броня для кабин самолетов. Советские летчики летчики получили возможность более безопасного обзора пространства во время боя.

16 февраля 1914, Москва — 16 июня 1985, Коломна

советский физик-кристаллограф, популяризатор науки