Вклад ученых – физиков в дело Победы над фашистами
9 мая 2020 года исполнится 75 лет со дня Великой Победы советского народа в Великой Отечественной войне. Многонациональный народ нашей страны в борьбе выстоял, и не просто выстоял, а победил, сокрушив фашизм, освободив от него Украину, Белоруссию, Прибалтику, многие государства Восточной Европы. Победа СССР над фашизмом навсегда вписана золотыми буквами в историю человечества. На разгром врага, на Победу работала вся страна - и воины, и тыл: женщины, старики, дети. День Победы «приближали как могли» все, но огромный вклад, до сих пор не оцененный по достоинству, внесли ученые страны.
Цель нашей работы: исследовать открытия, изобретения, конструкторские находки, ставшие решающими факторами в деле Победы и принесшие славу и приоритет советской науке.
Великая Отечественная война для советского народа началась 22 июня 1941 г. Уже 23 июня состоялось внеочередное расширенное заседание Президиума Академии наук СССР, который принял решение направить все силы и средства на быстрейшее завершение работ важных для обороны и народного хозяйства страны. Уже через 5 дней, 28 июня Академия наук обратилась к ученым всех стран с призывом сплотить силы для защиты человеческой культуры от фашизма. В нем также говорилось: «В этот час решительного боя советские ученые идут со своим народом, отдавая все силы борьбе с фашистскими поджигателями войны - во имя защиты своей Родины и во имя защиты мировой науки и спасения культуры, служащей всему человечеству».
Великая Отечественная война всколыхнула весь народ, в том числе и людей, занимающихся наукой, и, конечно, физиков. Всем понятно, что значительную роль в создании современного оружия играет техника, основой которой служит физическая наука. Какой бы новый вид вооружения не создавался, он неминуемо опирается на физические законы: рождалось первое артиллерийское оружие - приходилось учитывать законы движения тел (снаряда), сопротивление воздуха, расширение газов и деформацию металла; создавались подводные лодки – и на первое место выступали законы движения тел в жидкостях, учет архимедовой силы; проблемы бомбометания привели к необходимости составления таблиц, позволяющих находить оптимальное время для сброса бомб на цель.
Установки и устройства для размагничивания стали
Среды, способные во внешнем магнитном поле создавать собственное магнитное поле, называются магнетиками. Существуют три основные группы магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Железо, никель, кобальт, а также различные сплавы на их основе, в частности, сталь, относятся к ферромагнетикам, т. е. к веществам, в которых собственное магнитное поле на несколько порядков превосходит внешнее.
Способность вещества создавать собственное магнитное поле характеризуется намагниченностью – векторной суммой магнитных моментов частиц (например, атомов или молекул), находящихся в единице объема.
При температуре ниже точки Кюри в ферромагнитном веществе образуются домены – малые области с самопроизвольной намагниченностью до полного насыщения. При наложении внешнего магнитного поля происходит ориентация магнитных моментов доменов в направлении внешнего поля. Степень этой ориентации увеличивается при увеличении напряженности внешнего поля, пока не достигнет предела. Изменение намагниченности ферромагнетика с изменением внешнего поля характеризует петля гистерезиса (рис. 1): кривая изменения магнитной индукции ферромагнитного тела, помещенного во внешнее магнитное поле, при изменении напряженности последнего от +Hs до -Hs, и обратно, где Hs - напряженность магнитного поля, соответствующая насыщению. Величина Bs магнитной индукции, достигаемая при значении напряженности внешнего поля, равной Hs, называется индукцией насыщения. Величина магнитной индукции Br, сохраняющейся в образце после уменьшения напряженности поля от Hs до нуля, называется остаточной индукцией.
Рис. 1. Петля гистерезиса ферромагнитного тела.
Итак, когда внешнее магнитное поле уменьшается до нуля, суммарный магнитный момент всех доменов (и ферромагнитного тела в целом) уменьшается до некоторой ненулевой величины, т. е. в расположении доменов остается некоторый порядок.
При температуре выше точки Кюри доменная структура ферромагнетика разрушается.
Так как в ферромагнитном теле при температуре ниже точки Кюри существует доменная структура, т. е. микроскопические области со спонтанной намагниченностью до насыщения и весьма большим собственным магнитным полем, то процедура размагничивания должна, насколько это возможно, разупорядочивать доменную структуру (а не разрушать отдельные домены), чтобы магнитный момент тела или создаваемое им внешнее магнитное поле стремились к нулю. Этого можно достичь двумя способами: проходя по частным петлям гистерезиса в нулевую точку (рис. 2) или нагревая тело выше температуры Кюри (железо 770 0C, никель 358 0C, кобальт 1120 0C).
Рис. 2. Методика размагничивания ферромагнетика.
Для прохождения по частным петлям гистерезиса необходимо воздействовать на образец переменным магнитным полем с затухающей по определенному закону амплитудой (рис. 3).
Рис. 3. Переменное магнитное поле с затухающей амплитудой.
Можно также сочетать воздействие нагрева и затухающего переменного магнитного поля, причем нагрев может быть произведен за счет предварительного воздействия на токопроводящий образец переменным магнитным полем в течение некоторого времени.
Глубина проникновения переменного магнитного поля частотой в десятки герц в сплошную сталь составляет ~10 миллиметров (на уровне, достаточном для перемагничивания стали), поэтому для размагничивания массивных стальных деталей могут потребоваться устройства, создающие переменные магнитные поля частотой в единицы герц.
Практические конструкции установок и устройств для размагничивания стали
Типы установок и устройств для размагничивания стали:
- Туннельного типа. Катушка с проходным отверстием (туннелем) подключается к сети переменного тока напряжением 220 или 380 вольт частотой 50 Гц напрямую или через контроллер, позволяющий снизить частоту переменного магнитного поля. Размагничиваемый стальной предмет пропускается через туннель.
- Многополюсные постоянные магниты, приводимые во вращение. Скорость вращения магнита определяет частоту переменного магнитного поля. Изменение амплитуды магнитного поля происходит за счет изменения расстояния между магнитом и размагничиваемым стальным предметом.
- Электромагниты переменного тока с разомкнутой (открытой) магнитной системой. Обмотка электромагнита подключается к сети переменного тока напряжением 220 или 380 вольт частотой 50 Гц напрямую или через контроллер, позволяющий снизить частоту переменного магнитного поля. Размагничиваемый стальной предмет подносится к открытому участку магнитной системы, а затем удаляется от него.
- Контейнерного типа. Размагничиваемые стальные предметы помещаются в контейнер, находящийся внутри электромагнита переменного тока. Обмотка электромагнита подключается через контроллер к сети переменного тока напряжением 220 или 380 вольт, в контейнере создается переменное магнитное поле с затухающей амплитудой. Частота переменного магнитного поля и скорость его затухания определяются контроллером.
Размагничивание судов.
Еще до войны в Ленинградском физико-техническом институте под руководством профессора А.П. Александрова группой ученых были начаты работы по уменьшению возможности поражения кораблей магнитными минами. В их ходе был создан обмоточный метод размагничивания судов. Известно, что земной шар создает вокруг себя магнитное поле. Оно небольшое по величине, всего около десятитысячной доли Тесла. Однако его достаточно, чтобы ориентировать стрелку компаса по своим силовым линиям. Если в этом поле находится массивный предмет, например, корабль, и железа (вернее стали) в нем много, несколько тысяч тонн, то магнитное поле концентрируется и может увеличиться в несколько десятков раз.
К августу 1941 года ученые защитили от магнитных мин основную часть боевых кораблей на всех действующих флотах и флотилиях. Этот подвиг ученых увековечен памятником им в Севастополе. На кораблях специальным образом располагали большие катушки из проводов, по которым пропускался электрический ток. Он порождал магнитное поле, компенсирующее поле корабля, т.е. поле прямо противоположного направления. Все боевые корабли подвергались в портах «антимагнитной обработке» и выходили в море размагниченными. Тем самым были спасены многие тысячи жизней наших военных моряков.
Магнитный механизм для подрыва танков
В начале войны к ученым обратились представители инженерных войск с просьбой выяснить, нельзя ли разработать подобную мину не для кораблей, а для танков. Эта работа была сделана на Урале. Физикам предоставили несколько танков. Провели измерения магнитного поля под ними на разных глубинах. Оказалось, что поле довольно заметное, и можно было попробовать применить магнитный механизм для подрыва танков. Однако ставилось важное дополнительное требование: сама мина должна содержать как можно меньше металла. Ведь к тому времени уже были разработаны миноискатели.
Потребовалось придумать специальный сплав для своеобразной стрелки «компаса», замыкающего цепь, содержащую небольшую батарейку, сплав, легко намагничивающийся под действием поля танка. В результате работы суммарное количество металла ограничивалось 2-3 граммами на одну мину, а магнитик из сплава был настолько хорош, что позволял подорвать не только танк, но и автомашину. Что уж говорить о паровозах...
Дорога жизни.
В истории обороны Ленинграда, когда город 29 месяцев, почти 2 года, был во вражеском кольце, и в деятельности ленинградских ученых во время блокады есть эпизод, который связан с «Дорогой жизни». Эта дорога пролегала по льду замерзшего Ладожского озера: была проложена автотрасса, связывающая окруженный врагом город с Большой землей. От нее зависела жизнь. Вскоре выяснилось на первый взгляд совершенно необъяснимое обстоятельство: когда грузовики шли в Ленинград максимально нагруженные, лед выдерживал, а на обратном пути, когда они вывозили больных и голодных людей, т.е. имели значительно меньший груз, лед часто ломался и машины проваливались под лед. Руководство города поставило перед учеными задачу: выяснить, в чем дело, и дать рекомендации, избавляющие от этой опасности. Физик П.П. Кобеко установил, что главную роль играет деформация льда. Эта деформация и распространяющиеся от нее по льду упругие волны зависят от скорости движения транспорта. Критическая скорость 35 км/ч: если транспорт шел со скоростью, близкой к скорости распространения ледовой волны, то даже одна машина могла вызвать гибельный резонанс и пролом льда. Большую роль играла интерференция волн сотрясений, возникающих при встрече машин или обгоне; сложение амплитуд колебания вызывало разрушение льда при резонансе.
Резона́нс (фр. resonance, от лат. resono «откликаюсь») — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты внешнего воздействия с некоторыми значениями (резонансными частотами), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы.
В результате резонанса, при некоторой частоте вынуждающей силы колебательная система оказывается особенно отзывчивой на действие этой силы. Степень отзывчивости в теории колебаний описывается величиной, называемой добротность. При помощи резонанса можно выделить и/или усилить даже весьма слабые периодические колебания. К резонансным явлениям относится флаттер.
Флаттер — это слово наводило ужас на летчиков-испытателей в предвоенные годы. Но вот в борьбу с этим, тогда таинственным явлением, вызывающим разрушение самолетов в воздухе, вступили математики и механики. После того, как профессором М.В. Келдышем была разработана математическая теория флаттера, таинственность этого явления исчезла. Ученым были даны рекомендации, которые требовалось учитывать при конструировании самолетов. Их приняли во внимание, и за время войны не было случаев разрушения самолетов из-за флаттера. Флаттер — это сочетание изгибных и крутильных колебаний крыльев, хвостового оперения и других элементов самолета. Возбуждение колебаний происходи самопроизвольно, причем с большой амплитудой и ведет к разрушению машины.
Мы от меча шагнули до ракеты, чтобы спасти планету от огня.
Учёные вложили свои знания и труд в создании новых артиллерийских установок – реактивных, - которые обеспечивали мощный маневренный огонь и массивные залпы, они были любовно названы в народе «катюшами». Реактивные снаряды имели ряд преимуществ перед обычными: заряд, сообщающий движение, находился внутри, отсутствовала отдача при выстреле, а потому не требовались дорогие орудийные стволы из высококачественной стали.
Эти установки были малогабаритными и монтировались на автомобилях. Для увеличения дальности полёта реактивного снаряда учёные предложили удлинить заряд, использовать более калорийное топливо или две одновременно работающие камеры сгорания. Для улучшения этого оружия, ещё очень несовершенного из-за своей новизны, было создано КБ во главе с В.П. Барминым – крупным учёным в области механики и машиностроения. Во всех военных операциях, начиная с лета 1944 г., реактивная артиллерия уже выступала как мощное средство подавления врага. И в этом – творческий подвиг создателей такого оружия.
Дни и ночи у мартеновских печей, не смыкала наша Родина очей.
В этой всем известной песне говорится о Дне Победы над фашизмом. Металлурги наряду с другими специалистами внесли свой большой вклад в Победу нашего народа в Великой Отечественной войне. Для изготовления брони танков и пушек применялась сталь (сплав железа, вольфрама с углеродом до 2% и другими элементами), для производства корпусов самолетов использовался алюминий. Сплав меди и 50 % цинка — латунь — хорошо обрабатывается давлением и имеет высокую вязкость. Использовался для изготовления гильз, патронов и артиллерийских снарядов, так как обладает хорошим сопротивлением ударным нагрузкам, создаваемым пороховыми газами.
Творческая смекалка в условиях суровых будней.
Как много значили научно - технические знания и творческая смекалка в условиях суровых партизанских будней! Большая надежда возлагалась на самодельные средства – простые, надёжные, которые можно было легко изготовить из имеющихся под рукой материалов, замаскировать и спрятать. Много среди партизан умельцев, мастеров на все руки. Когда кончились запасы взрывчатки, партизаны действовали вручную: ломами, гаечными ключами, различными рычагами портили железнодорожные пути, устанавливали рельсовые клины и пускали под откос составы.
Именно для бойцов «невидимого фронта» создал свой «партизанский котелок» академик А.Ф. Иоффе. В этом котелке из нескольких десятков термопар сурьмянистый цинк – константан был смонтирован простейший термогенератор. Когда в котелок наливали воду и помещали над костром, спаи термопар, размещённые с внешней стороны, в его дне, нагрелись пламенем, а другие – внутренние – оставались холодными (имели температуру воды). И хотя разность температур спаев составляла всего 250 – 300 °С, этого было достаточно для выработки электроэнергии, необходимой для питания радиопередатчиков. Такие «котелки» помогали обеспечить партизанам радиосвязь.
Покуда сердца стучатся, - помните!
Война, бушевавшая над нашей планетой шесть лет, в ходе которой были убиты свыше 55 млн. человек и ранены 9 млн, закончилась 9 мая 1945 г победой Советского Союза над гитлеровской Германией. Эта победы означала спасение человечества от ужасов фашизма. Она спасла народы от порабощения и уничтожения.
Оставшиеся в живых должны помнить, а их внуки и потомки – знать, какой ценой неё была завоёвана. Память о сотнях тысяч замученных в концентрационных фашистских лагерях, о миллионах погибших в сражениях, призывает всех нас беречь мир, как самую большую ценность, как залог жизни.
После войны немцы признали, что наши наука и техника были на высоте требований, которые предъявило время. И действительно, советские ученые, в частности физики, самым непосредственным образом исполнили свой патриотический долг помощи фронту.
