Везде
Первые исследования прочностных свойств льда в России для нужд ледоколостроения
Оглавление
Аннотация Оценить Содержание публикации
Библиография Комментарии
Поделиться
QR
Метрика
Первые исследования прочностных свойств льда в России для нужд ледоколостроения
Аннотация
Код статьи
S020596060024503-5-1
Тип публикации
Статья
Статус публикации
Опубликовано
Авторы
Сазонов Кирилл Евгеньевич 
Аффилиация:
Крыловский государственный научный центр
Санкт-Петербургский государственный морской технический университет
Адрес: Санкт-Петербург, Московское шоссе, д. 44; Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3
Выпуск
Том 44 №1
Страницы
20-36
Аннотация

Развитие ледоколостроения в России и европейских странах, начавшееся во второй половине XIX в., закономерно привело моряков и судостроителей к необходимости изучения ледяного покрова замерзающих акваторий как среды мореплавания. Одной из важнейших характеристик льда, оказывающей важное влияние на ледокольные способности судна, является его прочность. Особенно остро вопрос о крепости морского и пресноводного льда встал перед вице-адмиралом С. О. Макаровым в период его борьбы за создание первого арктического ледокола «Ермак». Поэтому именно он явился инициатором проведения таких исследований. Примерно в одно и то же время с Макаровым к выводу о необходимости исследования прочностных свойств льда пришел известный корабел В. И. Афанасьев, который вместе со своим сыном выполнил ряд экспериментов. К анализу полученных экспериментальных данных Макаров привлек заведующего опытным бассейном А. Н. Крылова. В данной статье описывается история проведения указанных экспериментов и анализируются полученные выводы, которые надолго стали практически единственными данными о прочностных свойствах морского и пресного льда.              

Ключевые слова
прочность льда, пресный лед, морской лед, С. О. Макаров, В. И. Афанасьев, А. Н. Крылов
Классификатор
Получено
30.03.2023
Дата публикации
31.03.2023
Всего подписок
13
Всего просмотров
217
Оценка читателей
0.0 (0 голосов)
Цитировать   Скачать pdf
1

Введение

2 В настоящее время исследование прочностных свойств морского и пресноводного льда является обязательным элементом практически всех гляциологических и прикладных ледотехнических исследований. В результате выполнения многолетних экспериментальных исследований в мире накоплен обширный банк данных о прочности льда при различных видах деформации, о влиянии на нее различных факторов, разработаны и продолжают развиваться методики таких исследований1. Эти данные используются при решении различных фундаментальных и прикладных задач, включая задачи проектирования и эксплуатации современного арктического флота.
1. Лавров В. В. Деформация и прочность льда. Л.: Гидрометеоиздат, 1969; Сазонов К. Е. Модельный и натурный эксперимент в морской ледотехнике. СПб.: Крыловский государственный научный центр, 2021 и др.
3 На рубеже XIX–XX вв. ледоколы и суда ледового плавания активно использовались в ряде европейских стран, включая Россию, и в Америке2. В это же время начался процесс становления морской ледотехники как нового направления в развитии технических наук. Знания же о прочностных свойствах льда практически отсутствовали. Несмотря на то что последняя треть XIX в. характеризовалась бурным развитием исследований механических свойств конструкционных материалов и созданием в разных странах специализированных лабораторий, которые занимались изучением этого вопроса, основные усилия были направлены на изучение свойств стали и чугуна3. Исследования других конструкционных и естественных материалов почти не выполнялись. В данной работе рассматриваются первые исследования прочности льда, выполненные в России специалистами, которые имели непосредственное отношение к изучению движения судов во льдах.
2. Андриенко В. Г. Ледокольный флот России, 1860-е – 1918 гг. М.: Европейские издания, 2009. C. 17–37, 51–216.

3. Тимошенко С. П. История науки о сопротивлении материалов. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. С. 331–340.
4

Состояние вопроса о прочности льда в конце XIX в.

5 Осознание того факта, что прочность льда, наряду с его толщиной, имеет большое значение при проектировании и эксплуатации ледоколов, по-видимому, пришло в последнем десятилетии XIX в. В первой теоретической работе Р. Рунеберга4, посвященной анализу движения судов во льдах5, понятие прочности льда явно не используется. В формуле для определения величины разрушающего лед вертикального усилия, которая была предложена в этом исследовании, усилие зависит лишь от толщины льда и ширины корпуса судна. Формально прочность льда входит в эмпирический коэффициент, который был определен на основании анализа скудных данных об эксплуатации уже построенных ледоколов. В статье же, опубликованной в том же журнале через 11 лет6, Рунеберг подробно обсуждает влияние прочности льда на ледовые качества судов и приводит обнаруженные им данные об их изучении. Автор ссылается7 на исследования Фрюлинга (Frühling) из Кёнигсберга (публикация 1885 г.), который изучал прочность на разрыв ледяных стержней в зависимости от их температуры, при этом для диапазона температуры от –2 до –1 °С она составляла 11,1–28 кг/см2 , а для диапазона от +1 до +2 °С – 7,1–9,4 кг/см2 . Кроме этого, Фрюлинг исследовал прочность льда при раздроблении и получил значения, лежащие в диапазоне 15–27,26 кг/см2 .
4. Якоб Роберт (Роберт Иванович) Рунеберг (1846–1919) – выдающийся финский инженер, сын национального поэта Финляндии Йохана Людвига Рунеберга (1804–1877). Занимался различной инженерной деятельностью, в том числе проектированием судов для плавания во льдах. О его жизни см: Сазонов К. Е. Инженер Роберт Рунеберг: между Финляндией и Россией // Природа. 2021. № 6 (1270). С. 67–79.

5. Runeberg R. On Steamers for Winter Navigation and Ice-Breaking // Minutes of the Proceedings of the Institution of Civil Engineers. 1889. Vol. 97. Iss. 1889. P. 277–301.

6. Runeberg R. Steamers for Winter Navigation and Ice-Breaking // Minutes of the Proceedings of the Institution of Civil Engineers. 1900. Vol. 140. Iss. 1900. P. 109–123.

7. К сожалению, по указанным в статье Рунеберга ссылкам обнаружить статьи не удалось. Поэтому информация об этих исследованиях приводится по статье Рунеберга.
6 Рунеберг приводит также данные американского исследователя У. Ладлоу (W. Ludlow) и профессора из Гельсингфорса Хольстера (Holster). Первый из указанных исследователей изучал прочность на раздробление льда из реки Кеннебек (год публикации не указан) и получил довольно значительный разброс экспериментальных данных (от 23 до 70,7 кг/см2 ). Финский исследователь изучал прочность льда при раздроблении (публикация 1893 г.), образцы которого добывались из натурного льда при температуре –20 °С. Им также получен довольно большой разброс экспериментальных данных (28–68 кг/см2 ). Из анализа приведенных данных, отмечая очень большие вариации полученных значений прочности льда, Рунеберг сделал вывод о том, что
7 «не следует ожидать, что при нынешнем знании этого вопроса формула для ледокольной способности парохода может давать любые, кроме приблизительных результатов»8.
8. Runeberg. Steamers for Winter Navigation… Р. 113.
8 В работе В. И. Арнольда-Алябьева9, опубликованной в 1928 г., приводятся дополнительные данные о зарубежных исследованиях прочностных свойств пресного льда, которые были выполнены до 1890 г. Тем не менее с полной уверенностью можно утверждать, что все эти работы не были известны профессиональному сообществу моряков и судостроителей, которые занимались проектированием и эксплуатацией ледокольного флота. Очень показательна запись в записной книжке С. О. Макарова, относящаяся к 1897 г. Летом этого года Макаров посетил Стокгольм и имел беседу со знаменитым полярным исследователем профессором Н. А. Э. Норденшельдом. Готовясь к этой беседе, он подготовил ряд вопросов: Спросить у Норденшельда: 1) Что он знает о крепости полярного льда? 2) Какой % какого льда можно встретить? 3) Насколько летний лед слабее зимнего?10 Далее, планируя разговор с другим известным полярным исследователем О. Свердрупом, Макаров собирается у него узнать: «Лед от пресной воды слабее или сильнее?»11 Вице-адмирал С. О. Макаров после зарождения у него идей покорения Северного полюса с помощью ледокола очень внимательно изучал любую информацию, относящуюся к плаваниям судов во льдах, включая данные о состоянии ледяного покрова и его свойствах. Уже после постройки ледокола «Ермак» в одном из писем А. Н. Крылову (это письмо не сохранилось) он узнавал, известны ли ему какие-либо работы по прочности льда, выполненные ранее. В ответном письме Крылов сообщает следующее:
9. Арнольд-Алябьев В. И. Ледовые аварии в Балтийском море и борьба с ними // Морской сборник. 1928. № 4. С. 162–181.

10. Левоневский Д. А. С. О. Макаров и завоевание Арктики. Л.; М.: Изд-во Главсевморпути, 1943. С. 209.

11. Там же.
9 «...пользуюсь случаем, чтобы обратить внимание Вашего превосходительства на статью W. Struve, помещенную в Mémoires de l’Académie des Sciences de St.-Pétersbourg, sixième sèrie, sciences mathèmatiques et physiques, t. IV за 1850 г. под заглавием: Sur la dilatation de la glace, d’après les experiences faites en 1845 et 1846 a l’Observatoire central de Poulkova par M. M. Schumacher, Pohrt et Moritz; эти опыты, произведенные под руководством такого астронома, как В. Я. Струве, по своей обстоятельности, точности и обработке весьма замечательные, но, если я не ошибаюсь, мало известны, будучи описаны в столь мало читаемом сборнике, как Mèmoires Pet. Ac. Вместе с тем я припоминаю, что, разбирая издания СПб. Академии наук за первое столетие ее существования, чтобы составить себе полное собрание работ Эйлера, я встретил работу о крепости льда при разных температурах, но не могу ее теперь найти, так как часть этих книг у меня теперь отдана в переплет, а так как этот вопрос не представлял для меня особенного интереса, то я и не помню ни имени автора, ни названия сочинения»12.
12. Красоткина Т. А. Из переписки А. Н. Крылова с С. О. Макаровым, И. П. де-Колонгом, Н. Е. Жуковским и другими // Труды Института истории естествознания и техники. 1956. Т. 15. С. 107. В примечаниях к этому письму указывается, что, по-видимому, речь в нем идет о работе: Struve W. Notiz über die Untersuchungen des Eises als fester Körper // Bulletin de la Classe physico-mathématique de l’Académie impériale de sciences de Saint-Pétersbourg. 1845. T. 4. № 10–11. P. 169–170.
10 Приведем еще мнение одного из пионеров исследований движения судов во льдах инженера-механика В. И. Афанасьева. В своей книге, посвященной ледоколам, он следующим образом предваряет описание выполненных им и его сыном опытов по определению прочности льда: «Мы не встречали опытов над прочностью льда, хотя, быть может, таковые и были произведены где-либо»13.
13. Афонасьев В. И. Материалы к изучению движения судна. III. Ледоколы. СПб.: Тип. Морского министерства, 1899. С. 38. На титульном листе книги фамилия написана через букву «о». О деятельности В. И. Афанасьева см.: Каменев Г. Ф. Жизнь и деятельность инженер-механика В. И. Афанасьева // Труды Ленинградского кораблестроительного института. Л.: Судпромгиз, 1951. Вып. 8. С. 110–116.
11 Приведенные выше материалы показывают, насколько в конце XIX в. во всем мире в целом и в России в частности были скудны знания о полярных регионах, ледяном покрове и его основных свойствах, в том числе и прочностных. В конце XIX в. инициаторами проведения исследований прочностных свойств льда выступили российские военные моряки Макаров и Афанасьев, связанные со строительством и эксплуатацией ледоколов. Решение о проведении экспериментов было принято ими независимо друг от друга.
12

Исследования, инициированные С. О. Макаровым

13 В 1897 г. Макаров, находясь в Англии, инициировал проведение опытов по определению прочностных свойств льда; были проведены эксперименты по «раздавливанию» образцов и разрушению ледяных балок «изломом» (изгибом). Для проведения экспериментов был приготовлен пресный, «малосоленоводный» и «соленоводный» искусственный лед. Пресный лед изготовлялся из речной воды, используемой для питья. Соленоводный – из воды Немецкого (Северного) моря, которую отбирали для проведения опытов недалеко от устья р. Тайн. Удельный вес этой воды составлял 1,02514. Вода, из которой приготовлялся малосоленоводный лед, представляла собой смесь морской воды с пресной, ее удельный вес составлял 1,018.
14. В данном случае удельный вес воды измеряется в безразмерных единицах. Приведенная величина показывает, во сколько раз вес исследуемой воды превышает вес пресной воды при температуре 4 °С.
14 Эксперименты по разрушению ледяных балок изгибом были выполнены в Ньюкасле, а эксперименты по раздавливанию – 22 декабря 1897 г.15 в Дургамской16 высшей технической школе (Дарем)17. Искусственный лед приготовлялся в холодильной камере. Для разрушения балок изгибом было изготовлено специальное приспособление, эскиз которого (рис. 1) Макаров приложил к письму Крылову от 26 июня (9 июля) 1900 г. С помощью приспособления реализовывалась трехточечная схема изгиба балки. Нагрузка на балку, приложенная на равном расстоянии от опор, осуществлялась с помощью деревянной треугольной призмы. В 10 опытах были разрушены по три балки пресного и соленоводного льда, а также четыре балки малосоленоводного льда. При выполнении опытов фиксировались геометрические размеры балок и разрушающая их нагрузка.
15. Из переписки А. Н. Крылова… С. 105.

16. Так в оригинале, современный вариант – «даремской».

17. Крылов А. Н. Наблюдения над крепостью льда и сопротивлением его движению ледокола «Ермак» // Собрание трудов академика А. Н. Крылова / Отв. ред. В. И. Смирнов, Ю. А. Шиманский. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1949. Т. 9. Ч. 2. С. 165; Афонасьев. Материалы к изучению движения судна… С. 42, 59. В работе «Из переписки А. Н. Крылова…» (с. 105) в комментарии к письму 16 содержится, по-видимому, ошибочное утверждение о том, что все опыты были проведены в механической лаборатории Дургэмского колледжа.
15 Опыты по раздавливанию льда, выполненные в Дареме, отличаются большей информативностью, что, по-видимому, связано с более удобными условиями проведения исследований в механической лаборатории. В этих экспериментах, помимо определения нагрузки, вызывающей раздробление льда, были выполнены измерения его температуры и деформации, предшествующей разрушению.
16 В последующие годы Макаров продолжал при любой возможности заниматься организацией исследований прочностных свойств льда. Афанасьев указывает, что в 1898 г. в физической лаборатории Санкт-Петербургского университета по просьбе Макарова были проведены испытания цилиндрического образца льда, в которых изучалась реакция льда на долговременное действие приложенной нагрузки18. Испытываемый образец имел высоту 1 см и диаметр 2 см. Он был подвергнут долговременному действию нагрузки в 15 кг, что соответствовало давлению 1,88 пудов на квадратный дюйм. Действие нагрузки продолжалось в течение нескольких часов, максимально 44,4 часа. Из приведенного в работе Афанасьева описания можно понять, что было испытано несколько образцов льда при различной температуре, при этом исследовалась максимальная деформация образца.
18. Афонасьев. Материалы к изучению движения судна… С. 52.
17

Рис. 1. Устройство для разрушения ледяных балок. Из письма С. О. Макарова А. Н. Крылову от 26 июня (9 июля) 1900 г. (Из переписки А. Н. Крылова… С. 109)

18 В первом арктическом плавании ледокола «Ермак» летом 1899 г. в Баренцевом море в районе архипелага Шпицберген наряду с другими научными исследованиями были выполнены измерения прочности льда на изгиб. Для проведения исследований на борт ледокола был поднят довольно большой кусок льда, вырубленный из ледяного покрова (рис. 2). Вот как описывает проведение этих исследований участник экспедиции лейтенант И. И. Ислямов:
19 «Для исследования свойств льда мы подняли на корабль большую льдину и сначала определили ее температуру в разных ее слоях. Оказалось, что температура идет, уменьшаясь к низу льдины, что должно способствовать ее хрупкости
20 Затем из блока льда выпиливались правильные параллелепипеды и определялось сопротивление их и их плавучесть.
21 Кроме того, определялся удельный вес воды, получавшейся от разных образчиков льда.
22 И наши опыты показывают, что крепость и плотность льда возрастают от поверхности к низу и что он очень хрупок (пуля из Винчестера при выстреле в упор входит в лед лишь на один дециметр)»19.
19. Ислямов И. Пробное плавание «Ермака» на севере в 1899 г. // Записки по гидрографии. 1901. Вып. 23. С. 200–201.
23

Рис. 2. Подъем на борт ледокола «Ермак» куска льда для проведения с ним физических исследований (Ислямов. Пробное плавание «Ермака»… С. 201)

24 Эксперименты по разрушению ледяных балок на борту «Ермака» проводил сверхштатный астроном Пулковской обсерватории Б. П. Остащенко-Кудрявцев20. Для проведения опытов использовалось то же самое приспособление, что и при исследованиях, проведенных в Ньюкасле. Это обстоятельство способствовало тому, что размеры исследованных в полевых условиях балок были сопоставимы с размерами балок, приготовленных из искусственного льда.
20. Борис Павлович Остащенко-Кудрявцев (1877–1956) – астроном, доктор физико-математических наук, профессор; работал в Пулковской, Николаевской и Харьковской обсерваториях, преподавал в харьковских институтах.
25

Исследования В. И. Афанасьева

26 Самостоятельные исследования прочности искусственного льда при разрушении изгибом были предприняты зимой 1898 г. В. И. Афанасьевым и его сыном инженером-механиком Н. В. Афанасьевым. Первоначально результаты экспериментов и их анализ публиковались автором в газете «Котлин»21, а затем эти статьи в качестве приложения были включены в его книгу22. Предваряя публикацию опытных данных, В. И. Афанасьев писал:
21. См. статьи В. И. Афанасьева в газете «Котлин» за 1898 г.: «Крепость льда». № 9 (563), 14 (568); «Пластичность и крепость льда». № 17 (571), 21 (575), 23 (576); «Крепость льда». № 37 (590).

22. Афонасьев. Материалы к изучению движения судна… С. 36–59.
27 «Быстро развивающееся применение ледоколов и ледоходных судов вызывает необходимость изучения механических свойств льда, т. е. его сопротивления действующим на него разрушающим силам. Без знания таких свойств льда нет, очевидно, никаких средств для расчета силы, потребной для прохода с назначенною скоростью льда определенной толщины. Не зная механических свойств льда, нельзя также построить ледокол соразмерно прочный для преодоления сопротивления льда»23.
23. Там же. С. 36.
28 Представленные Афанасьевым результаты обладают большей информативностью по сравнению с опытами Макарова. В своих статьях он довольно подробно описывает способ приготовления искусственного льда, внешние условия проведения опытов. Он честно указывает на то, что
29 «получаемые результаты, конечно, не обладают желаемой степенью точности, но, во всяком случае, они все-таки могут служить для приблизительного решения наиболее важных вопросов, возбуждаемых потребностью в ледоходных судах и ледоколах»24.
24. Там же. С. 38.
30 Эксперименты проводились Афанасьевым в «домашних» условиях. В начале их проведения для получения ледяных балок использовались цинковые формы, в которых намораживались бруски размером 1½ × 1½ × 18 д25. В этих формах вода замораживалась в вертикальном положении. При замораживании первых образцов выяснилось, что в цинковых формах с «глухими донышками» наблюдается выпучивание форм, вызванное увеличением объема льда по сравнению с объемом замерзающей воды. Для дальнейшего приготовления ледяных брусков «глухие донышки» были заменены на резиновые пробки, применение которых позволило устранить выпучивание. Для извлечения брусков из форм они на небольшое время омывались водопроводной водою, после чего бруски можно было легко достать. Уменьшение размеров бруска от таяния льда не превышало 1/16 ÷ 1/8 д.
25. Здесь и далее «д» означает дюйм. 1 дюйм = 25,39954 мм, такое соотношение было узаконено в России в начале ХХ в.
31 Разрушение брусков изгибом осуществлялось по трехточечной схеме, при этом расстояние между опорами было 12½, 8 и 3 д. Уменьшенные значения расстояний между опорами использовались для дальнейшего разрушения обломков брусков. Исследовалось также сопротивление льда скалыванию. Для этих опытов расстояние между опорами принималось равным 1 д.
32 Первая серия опытов, выполненная с цинковыми формами, показала их недолговечность, поэтому для дальнейших экспериментов использовались цилиндрические стеклянные формы, изготовленные из толстостенных трубок различного диаметра. Приготовление образцов осуществлялось с использованием естественных отрицательных температур воздуха от –15 до –8 °С. Афанасьев отмечает, что скорость замерзания влияет на внешний вид образца, чем эта скорость ниже, тем прозрачней образец.
33 По-видимому, в конце 1898 г. Афанасьев выполнил еще одну серию экспериментов с искусственным льдом. В этой серии лед приготовлялся как из пресной, так и из соленой воды, причем замораживание образцов осуществлялось в стесненных условиях (стеклянные трубки) и в «открытых формах»26. Кроме этого, часть образцов была приготовлена из кипяченой воды. Все это позволило сделать предварительные выводы о влиянии способа замораживания и качества замораживаемой воды (соленая, кипяченая) на прочностные свойства льда.
26. К сожалению, подробности замораживания льда в «открытых формах» и сами формы в работе не описаны.
34

Анализ А. Н. Крыловым данных о крепости льда

35 Макаров обратился к Крылову с просьбой рассмотреть данные о крепости льда, полученные во время первого арктического плавания ледокола «Ермак». В письме от 14 (26) марта 1900 г. он писал Крылову:
36 Пожалуйста, помогите разобраться. Дело в том, что во время плавания в Ледовитом океане мы делали различные исследования над льдами. Между прочим, мы испытывали его крепость. Вычисления сделаны астрономом Кудрявцевым в произвольных цифрах, и потому получились величины, сравнимые между собой, но мало сравнимые с величиною крепости других материалов. Мне решительно некогда подсесть к этому делу, и причем я же себе не вполне верю27. Как следует из приведенной цитаты, первоначально Макаров просит Крылова «подыскать такой коэффициент», позволяющий перевести полученные данные в общепринятую в то время систему единиц измерения. Крылов сразу же откликнулся на эту просьбу и уже в ответном письме 18 (30) марта подробно сообщил о выполненных им расчетах и найденном коэффициенте для пересчета результатов в кг/см2 , который оказался равен 8,1328. 30 апреля (13 мая) Макаров высылает Крылову результаты опытов, выполненных в Англии. В письме от 26 июня (9 июля) он сообщает подробности проведения этих опытов (рис. 1)29. Следующее письмо Крылова Макарову от 14 (27) июля является одним из наиболее важных результатов определения прочностных свойств льда, а также дальнейшего развития этого направления исследований. В этом письме он предлагает Макарову при публикации результатов по определению прочности льда обязательно указывать не только окончательный результат, но и геометрические размеры ледяных балок и величину разрушающей их нагрузки. Крылов объясняет свое предложение тем, что простая формула, заимствованная из теории изгиба балок, получена на основании целого ряда довольно серьезных допущений, применимость которых для такого материала, как лед, неизвестна. Он пишет: Точная теория изгиба коротких брусков такого материала, как лед (скорее кристаллического, нежели изотропно-упругого строения), чрезвычайно сложна и тоже до предельных напряжений не относится. Вот почему вычисляемый по формуле коэффициент К (прочность льда. – К. С.) не дает столь полного суждения о крепости льда, как подлинные данные, полученные из наблюдений, которые потом всякий может обработать по-своему30. Некоторые из основных положений этого письма были впоследствии включены Крыловым в его статью31, помещенную в качестве главы в книгу Макарова «“Ермак” во льдах»32. В разделе статьи, посвященном исследованиям крепости льда, приводятся откорректированные результаты испытаний. Анализируя их, Крылов отмечает «большое разнообразие результатов даже при одинаковых размерах испытываемых образцов, их температуры и способа нагрузки»33. Тем не менее он делает правильный вывод о том, что соленый лед «менее крепок», чем пресноводный. Далее он указывает, что нельзя усмотреть причин сказанного разнообразия, и лишь дальнейшие исследования в связи с исследованием строения льда и его свойств как упругого тела могут объяснить причины этого разнообразия34. В какой-то мере эти слова стали программой последующих исследований прочности льда в России. В этом же письме Крылов формулирует задачу теории упругости, относящуюся к разрушению ледяного покрова корпусом судна. Это задача об изгибе полубесконечной пластины, лежащей на упругом основании, сосредоточенной силой, которая приложена к кромке пластины. В задаче необходимо найти распределение напряжений в пластине в окрестности точки приложения усилия, а также положение линии излома пластины. Он указывает, что решение этой задачи «весьма трудно», и предлагает подходить к «приблизительному» ее решению «опытным путем», используя «стеклянные площадки»35. Крылов также указывает, что он обсудил эту задачу с профессором Н. Е. Жуковским, который согласился с тем, что эта задача важна для изучения разрушения ледяного покрова корпусом судна. Решение этой задачи было получено лишь во второй половине ХХ в.36 На 1901 г. была запланирована вторая арктическая экспедиция «Ермака», в которой Макаров предложил участвовать Крылову и Жуковскому. Крылов принял самое деятельное участие в подготовке арктического плавания, способствуя оснащению экспедиции различными научными приборами. Он планировал взять их в опытовом бассейне, а также обратиться за помощью к известным ученым Д. И. Менделееву, М. А. Рыкачеву и Б. Б. Голицыну. Специально для экспедиции Крылов разрабатывает проект пресса для определения сопротивления льда раздавливанию (рис. 3). В письме Макарову содержится следующее описание пресса: «Отношение плеч рычага 6 : 36. Предельная нагрузка на раздавливаемый кусок до 2 тонн, причем усилие на динамометре 20 пудов. Запас прочности 5 раз»37.
27. Из переписки А. Н. Крылова… С. 85.

28. Там же. С. 87.

29. Там же. С. 103.

30. Там же. С. 113.

31. Крылов. Наблюдения над крепостью льда… С. 168.

32. Макаров С. О. «Ермак» во льдах. СПб.: Типография СПб. Акционерного общества печатного дела в России Е. Евдокимов, 1901.

33. Крылов. Наблюдения над крепостью льда… С. 167.

34. Там же.

35. Из переписки А. Н. Крылова… С. 114.

36. См., например: Гильман Л. С. Определение напряжений в плавающей ледяной плите, ограниченной прямолинейной кромкой, от действия нагрузки, приложенной к кромке // Труды Высшего инженерно-технического училища ВМФ. 1948. Вып. 4. С. 21–35; Хейсин Д. Е. Прочность ледяного покрова под действием нагрузки, приложенной к его кромке // Труды Арктического и антарктического НИИ. 1960. Т. 237. С. 133–152.

37. Из переписки А. Н. Крылова… С. 128.
37

Рис. 3. Схема пресса для раздавливания образцов льда. Рисунок из письма А. Н. Крылова С. О. Макарову от 29 апреля (12 мая) 1901 г. (Из переписки А. Н. Крылова… С. 127
38 Крылов собирался изготовить этот пресс на Балтийском заводе, «который мне обещал подобное за нивелировку спускового фундамента и другие работы, которые я им делал»38. К сожалению, никакой информации о том, был ли изготовлен пресс или нет, не имеется.
38. Там же.
39 По независящим от Крылова причинам он не смог принять участие в экспедиции. Второе полярное плавание «Ермака» окончилось неудачно (ледокол из-за сильных ледовых сжатий попал в 28-дневный ледовый плен недалеко от Новой Земли). После же возвращения из плавания правительством было принято решение «ограничить деятельность ледокола “Ермак” проводкой судов в портах Балтийского моря»39. Сложившаяся ситуация не способствовала дальнейшему изучению прочностных свойств льда.
39. Стефанович А. Н. Адмирал С. О. Макаров – создатель первого в мире арктического ледокола «Ермак» // Деятельность вице-адмирала С. О. Макарова в судостроении / Ред. А. И. Дубравин. Л.: Судостроение, 1977. С. 141.
40

В. И. Афанасьев о прочности льда

41 Судя по всему, В. И. Афанасьев сам обрабатывал данные экспериментов по определению прочности искусственного льда, которые выполнял его сын. При анализе экспериментов он все время пытается выявить некоторые общие закономерности. Так, сравнив результаты испытаний брусков с прямоугольным и круглым сечениями, он заключает, что «сопротивление пресноводного льда перелому не зависит ни от формы поперечного сечения брусков, ни от их размеров, ни от расстояния между опорами»40. Далее он обобщает полученные результаты и рекомендует: «Наибольшее напряжение, выдерживаемое льдом при изгибе для пресноводного льда может быть принято равным 6½ пудов на кв. дюйм, или 15 тонн на кв. фут»41. Он также отмечает, что технология замораживания брусков (вертикально или горизонтально) заметно не повлияла на результаты опытов.
40. Афонасьев. Материалы к изучению движения судна… С. 40.

41. Там же.
42 Такие же выводы о влиянии формы поперечного сечения и технологии замораживания Афанасьев сделал и при анализе данных по скалыванию льда. Представляется довольно важным полученный им результат о меньшей прочности льда на скалывание по сравнению с изгибом.
43 Капризы петербургской погоды позволили Афанасьеву и его сыну исследовать прочность на раздробление тающих цилиндрических столбиков льда при температуре воздуха 4 °С. В результате, по-видимому, впервые был получен важный результат о существенном снижении прочности льда при таянии. В 1898 г. Афанасьев получил письмо от Макарова с результатами испытаний льда, выполненными в Англии. Он сразу же принялся их анализировать, а по результатам анализа опубликовал в нескольких номерах газеты «Котлин» заметку42, которую потом включил в свою книгу. Обобщив результаты по изучению раздробления льда, Афанасьев делает вывод о снижении прочности льда при увеличении солености воды, из которой был приготовлен образец. При этом он отмечает довольно большой разброс экспериментальных данных. Интересно сравнение прочностных свойств льда на раздавливание с данными по разрушению изгибом ледяных брусков, которые были получены им и его сыном. Выяснилось, что прочность на изгиб примерно в два раза меньше, чем при сжатии43.
42. Афонасьев В. И. Пластичность и крепость льда // Котлин. 1898. № 17 (571), 21 (575), 23 (576).

43. Афонасьев. Материалы к изучению движения судна… С. 44.
44 Довольно тщательно Афанасьев разбирает результаты экспериментов по измерению деформации образцов льда при сжатии. Для анализа результатов он вводит коэффициент ß, который предполагает «пропорциональность между величиной сжатия (деформации. – К. Е.) и давлением на единицу площади поперечного сечения»44. В книге содержатся результаты вычислений указанной величины для каждого из опытов, а также средние величины для каждого из рассмотренных типов льда. На основании опытов наибольшее значение коэффициента получилось для «малосоленоводного» льда. Далее следует довольно показательное рассуждение, которое ярко демонстрирует так называемый «инженерный» подход к проблеме.
44. Там же. С. 46.
45 «Ввиду того, что соленость Балтийского моря весьма мала, а соленость воды Ледовитого океана весьма близка к образцу С («соленоводному». – К. С.) льда, мы можем исключить из рассмотрения лед В («малосоленоводный». – К. С.) как совершенно ненужный для наших практических целей»45.
45. Там же. С. 51. Приведенная цитата практически совпадает с известным анекдотом «Логик, математик, физик и инженер», приведенным в книге известного венгерского математика: Пойа Д. Математика и правдоподобные рассуждения. М.: Наука, 1975. С. 33.
46 Далее Афанасьев вводит коэффициент пластичности льда, который является обратной величиной к коэффициенту ß. Пластичность льда он пытается использовать для анализа процессов взаимодействия корпуса ледокола со льдом.
47 Он пишет:
48 «Известно, что при морозе ледокол легче проходит сплошной лед, нежели при оттепели. Этот факт легко объясняется влиянием на сопротивление движению пластичности льда Действительно, судно, идущее в сплошном льду, не только ломает его, но и разжимает в стороны, чем только и можно объяснить плотное прилегание льда к корпусу ледокола»46.
46. Афонасьев. Материалы к изучению движения судна… С. 53.
49 Как уже отмечалось выше, в конце 1898 г. сын Афанасьева выполнил еще одну серию экспериментов с искусственным льдом, как пресноводным, так и соленоводным. Результаты опытов позволили уточнить обобщенные данные о прочности пресного и соленого льда. Афанасьев отмечает, что его результаты хорошо совпадают с данными Макарова, полученными при изломе балок в Англии. Крылов в письме Макарову от 14 (27) июня 1900 г. также указывал на то, что, «сопоставляя эти результаты (данные о прочности натурного льда. – К. С.) с данными, полученными В. И. Афанасьевым, видим довольно близкое согласие»47.
47. Из переписки А. Н. Крылова… С. 112.
50

Заключение

51 Описанные в работе исследования прочностных свойств льда сыграли важную роль в развитии знаний о свойствах ледяного покрова. Был получен ответ на принципиальный вопрос о соотношении крепости пресного и морского льда, выявлено сильное влияние температуры льда на его прочностные свойства. Впервые были установлены приближенные соотношения между прочностями льда при различных видах деформации. Не менее важными можно считать результаты о зависимости прочностных свойств от условий замораживания льда, что позволило Крылову сделать вывод о необходимости исследования его структуры.
52 Последующая судьба описанных исследований сложилась по-разному. Данные по прочности льда, полученные по инициативе Макарова и обработанные Крыловым, в 30-х гг. прошлого века активно использовались различными исследователями, занимавшимися освоением советской Арктики и прилегающих к ней регионов. Они использовались судостроителями48, гидротехниками49, специалистами по физике льда50. Ссылок же на работы Афанасьева автору обнаружить не удалось. По-видимому, забвение работ Афанасьева произошло по двум причинам. Первая заключается в том, что фигуры вице-адмирала Макарова и академика Крылова имели несравненно больший вес в глазах исследователей 1930-х гг. Оценки и высказывания Крылова в среде судостроителей (и не только) воспринимались как истина в последней инстанции51.
48. Маслов А. И. Опыт расчета внешних усилий, действующих на корпус судна в ледовых условиях // Труды Всесоюзного научного инженерно-технического общества судостроения ВНИИТОСС. Л.: Судпромгиз, 1937. Т. 2. Вып. 3. С. 129–132; Витман Ф. Ф., Шандриков Н. П. Некоторые исследования механической прочности льда // Труды Арктического института. 1938. Т. 110. С. 83–100.

49. Кузнецов П. А. Действие льда на сооружения морских портов и защита от него. Л.: Инженерный отдел Краснознаменного Балтийского флота, 1939.

50. Вейнберг Б. П. Лед. Свойства, возникновение и исчезновение льда. М.; Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1940.

51. Некоторые примеры такого отношения, описанные на основе архивных документов, приведены в работе: Сазонов К. Е. «Царь-ледокол» академика А. Н. Крылова // Проблемы Арктики и Антарктики. 2021. Т. 67. № 2. С. 208–221.
53 Вторая причина связана деятельностью самого Афанасьева, который был инженером-практиком. Изучая движение судов на чистой воде и в ледовых условиях, он стремился получить эмпирические или полуэмпирические зависимости, позволяющие определять потребную мощность главных механизмов судна, которая бы обеспечивала требуемую скорость движения. Так, основываясь на опубликованных данных о работе во льдах двух паромов и финских и шведских небольших ледоколов, Афанасьев предложил «практическую» формулу для определения мощности энергетической установки, которая обеспечивала бы непрерывное движение судна во льдах заданной толщины. Предложенная формула была предельно простой и включала эмпирический коэффициент и два параметра: толщину льда в квадрате и скорость судна52. Близкие по структуре формулы автор предлагал для различных по типу судов в случае движения их на чистой воде. На рубеже XIX– XX вв. эти формулы активно использовались судостроителями. Например, Крылов в 1903 г. в составленном им курсе по теории корабля для старшего специального класса Морского кадетского корпуса для определения характеристик ходкости судна предлагал наряду с применением методов модельного эксперимента использовать формулу Афанасьева53.
52. Афонасьев. Материалы к изучению движения судна… С. 16.

53. Крылов А. Н. Записки по теории кораблестроения: курс старшего специального класса Морского кадетского корпуса. СПб.: Типо-литография К. Биркенфельда, 1903. С. 188.
54 Срок жизни эмпирических расчетных формул в судостроении не очень долог. Неизбежные изменения в размерах судов, их конструкции, увеличение энерговооруженности и целый ряд других факторов приводят к тому, что предсказательный потенциал ранее полученных выражений иссякает. Поэтому интерес к работам Афанасьева постепенно пропал, а его работы перестали использоваться. К сожалению, этот процесс коснулся и работ по изучению прочности льда, которые не только подтверждали выводы, полученные Макаровым и Крыловым, но и в некотором отношении были более информативными и интересными.

Библиография

1. Andrienko, V. G. (2009) Ledokol’nyi flot Rossii, 1860-e – 1918 gg. [Icebreaking Fleet of Russia, 1860s – 1918]. Moskva: Evropeiskie izdaniia.

2. Afonas’ev, V. I. (1899) Plastichnost’ i krepost’ l’da [Plasticity and Strength of Ice], Kotlin, no. 17 (571), no. 21 (575), no. 23 (576).

3. Afonas’ev, V. I. (1899) Materialy k izucheniiu dvizheniia sudna. III. Ledokoly [Materials for the Study of Vessel Movement. III. Icebreakers]. Sankt-Peterburg: Tipografiia Morskogo ministerstva.

4. Arnol’d-Aliab’ev, V. I. (1928) Ledovye avarii v Baltiiskom more i bor’ba s nimi [Ice Accidents in the Baltic Sea and Fight Against Them], Morskoi sbornik, no. 4, pp. 162–181.

5. Gil’man, L. S. (1948) Opredelenie napriazhenii v plavaiushchei ledianoi plite, ogranichennoi priamolineinoi kromkoi, ot deistviia nagruzki, prilozhennoi k kromke [Determination of Stresses in a Floating Ice Slab, Bounded by a Straight Edge, from the Action of a Load Applied to the Edge], Trudy Vysshego inzhenerno-tekhnicheskogo uchilishcha VMF, no. 4, pp. 21–35.

6. Isliamov, I. (1901) Probnoe plavanie “Ermaka” na severe v 1899 g [Trial Voyage of Yermak in the North in 1899], Zapiski po gidrografii, no. 23, pp. 194–217.

7. Kamenev, G. F. (1951) Zhizn’ i deiatel’nost’ inzhener-mekhanika V. I. Afanas’eva [The Life and Work of a Mechanical Engineer V. I. Afanasiev], Trudy Leningradskogo korablestroitel’nogo instituta, no. 8, pp. 110–116.

8. Kheisin, D. E. (1960) Prochnostʼ ledianogo pokrova pod deistviem nagruzki, prilozhennoi k ego kromke [The Strength of Ice Cover Under the Action of a Load Applied to Its Edge], Trudy Arkticheskogo i Antarkticheskogo nauchno-issledovatelʼskogo instituta, vol. 237, pp. 133–152.

9. Krasotkina, T. A. (1956) Iz perepiski A. N. Krylova s S. O. Makarovym, I. P. de-Kolongom, N. E. Zhukovskim i drugimi [From the Correspondence Between A. N. Krylov and S. O. Makarov, I. P. de Colongue, N. E. Zhukovsky, and Others], Trudy Instituta istorii estestvoznaniya i tekhniki, vol. 15, pp. 54–167.

10. Krylov, A. N. (1903) Zapiski po teorii korablestroeniia: kurs starshego spetsial’nogo klassa Morskogo kadetskogo korpusa [Notes on the Theory of Shipbuilding: A Course for the Senior Special Class of the Naval Cadet Corps]. Sankt-Peterburg: Tipo-litografiia K. Birkenfel’da.

11. Krylov, A. N. (1949) Nabliudeniia nad krepost’iu l’da i soprotivleniem ego dvizheniiu ledokola “Ermak” [Observations on Ice Strength and Its Resistance to the Movement of the Yermak Icebreaker], in: Smirnov, V. I., and Shimanskii, Iu. A. (eds.) Sobranie trudov akademika A. N. Krylova [A Collection of Works by Academician A. N. Krylov], vol. 9, pt. 2, pp. 165–182.

12. Kuznetsov, P. A. (1939) Deistvie l’da na sooruzheniia morskikh portov i zashchita ot nego [The Effect of Ice on the Seaport Facilities and Protection from It]. Leningrad: Inzhenernyi otdel Krasnoznamennogo Baltiiskogo flota.

13. Lavrov, V. V. (1969) Deformatsiia i prochnost’ l’da [Ice Deformation and Strength]. Leningrad: Gidrometeoizdat.

14. Levonevskii, D. A. (1943) S. O. Makarov i zavoevanie Arktiki [S. O. Makarov and the Conquest of the Arctic]. Leningrad and Moskva: Izdatel’stvo Glavsevmorputi.

15. Makarov, S. O. (1901) “Ermak” vo l’dakh [Yermak in the Ice]. Sankt-Peterburg: Tipografiia SPb. aktsionernogo obshchestva pechatnogo dela v Rossii E. Evdokimov.

16. Maslov, A. I. (1937) Opyt rascheta vneshnikh usilii, deistvuiushchikh na korpus sudna v ledovykh usloviiakh [An Attempt at Calculating External Forces Acting on the Hull in Ice Conditions], Trudy Vsesoiuznogo nauchnogo inzhenerno-tekhnicheskogo obshchestva sudostroeniia, vol. 2, no. 3, pp. 129–132.

17. Poia, D. (Pólya, G.) (1975) Matematika i pravdopodobnye rassuzhdeniia [Mathematics and Plausible Reasoning]. Moskva: Nauka.

18. Runeberg, R. (1889) On Steamers for Winter Navigation and Ice-Breaking (Including Plates at Back of Volume), Minutes of the Proceedings of the Institution of Civil Engineers, vol. 97, iss. 1889, pp. 277–301.

19. Runeberg, R. (1900) Steamers for Winter Navigation and Ice-Breaking (Including Plates at Back of Volume), Minutes of the Proceedings of the Institution of Civil Engineers, vol. 140, iss. 1900, pp. 109–123.

20. Sazonov, K. E. (2021) Model’nyi i naturnyi eksperiment v morskoi ledotekhnike [Model and FullScale Experiment in Marine Ice Engineering]. Sankt-Peterburg: Krylovskii gosudarstvennyi nauchnyi tsentr.

21. Sazonov, K. E. (2021) Inzhener Robert Runeberg: mezhdu Finliandiei i Rossiei [Engineer Robert Runeberg: Between Finland and Russia], Priroda, no. 6 (1270), pp. 67–79.

22. Sazonov, K. E. (2021) «Tsar’-ledokol» akademika A. N. Krylova [Academician A. N. Krylov’s “Tsar Icebreaker”], Problemy Arktiki i Antarktiki, vol. 67, no. 2, pp. 208–221.

23. Stefanovich, A. N. (1977) Admiral S. O. Makarov – sozdatel’ pervogo v mire arkticheskogo ledokola “Ermak” [Admiral S. O. Makarov, the Creator of the World’s First Arctic Icebreaker Yermak], in: Dubravin, A. I. (ed.) Deiatel’nost’ vitse-admirala S. O. Makarova v sudostroenii [Activities of Vice Admiral S. O. Makarov in Shipbuilding]. Leningrad: Sudostroenie.

24. Struve, F. G. W. (1845) Notiz über die Untersuchungen des Eises als fester Körper, Bulletin de la Classe physico-mathématique de l’Académie impériale de sciences de Saint-Pétersbourg, vol. 4, no. 10–11, pp. 169–170.

25. Timoshenko, S. P. (1957) Istoriia nauki o soprotivlenii materialov [History of the Science of Material Strength]. Moskva: Gosudarstvennoe izdatel’stvo tekhniko-teoreticheskoi literatury.

26. Veinberg, B. P. (1940) Led. Svoistva, vozniknovenie i ischeznovenie l’da [Ice. Properties, Appearance and Disappearance of Ice]. Leningrad and Moskva: Gosudarstvennoe izdatel’stvo tekhnikoteoreticheskoi literatury. Vitman, F. F., and Shandrikov, N. P. (1938) Nekotorye issledovaniia mekhanicheskoi prochnosti l’da [Some Studies on Mechanical Strength of Ice], Trudy Arkticheskogo instituta, vol. 110, pp. 83–100.

Комментарии

Сообщения не найдены

Написать отзыв
Перевести