Рожанский Д.А.: литературное творчество

Ограниченные возможности для проведения физических экспериментов в Харьковском университете отчасти способствовали раскрытию литературного таланта Дмитрия Аполлинариевича. Именно на харьковский период приходится интенсивная литературная деятельность ученого. В 1913 г. вышли в свет две его книги, посвященые электромагнитным колебаниям и волнам, одна из которых носила несколько "старомодное" название "Электрические лучи" [ 28 ], а вторая была названа вполне современно: "Учение об электромагнитных колебаниях и волнах" [ 25 ]. Обе книги по существу посвящены одной и той же области - радиотехнике и прекрасно характеризуют литературный стиль Д.А. Рожанского.

По нашему мнению, на формирование литературного стиля Д А. Рожанского существенно повлиял уже несколько раз упоминавшийся профессор Петербургского университета О.Д. Хвольсон . Он не был физиком- исследователем, а относился к довольно редкому типу физиков- энциклопедистов, что и позволило ему стать автором уникального как по широте охвата и полноте, так и точности изложения "Курса физики". Интересно, что, будучи в общем-то скорее физиком-теоретиком, чем экспериментатором, Хвольсон в своем курсе уделил очень много места описанию экспериментов и их результатам. Эта работа была выполнена им настолько качественно, что и в наши дни, если кто-нибудь хочет поближе познакомиться с тем или иным опытом, не обращаясь к оригиналу, то ему стоит посоветовать открыть соответствующий том "Курса физики" Хвольсона. Это же характерно и для стиля указанных книг Д.А. Рожанского. Поэтому понятно, почему О.Д. Хвольсон предпочел сделать "извлечение" (заметим, весьма пространное) из книги Д.А. Рожанского "Электрические лучи" вместо того, чтобы написать эту главу самостоятельно.

Отличное знание материала позволило Д.А. Рожанскому изложить накопленный к этому времени материал систематически, сделав необходимые обобщения, и высказать суждения о перспективах развития радиотехники. Для иллюстрации этой особенности изложения материала в книгах Д.А. Рожанского приведем отрывок из главы "Электрические лучи" "Курса физики" Хвольсона; он даст общее представление и о других главах "Курса", написанных собственно Д.А. Рожанским.

"Многочисленные системы беспроволочного телеграфа по способу возбуждения колебаний можно разделить на следующие основные типы: 1 - первоначальная система Marconi, 2 - система Braun'a, - система незатухающих колебаний и 4 - система ударного возбуждения колебаний. система Marconi пользуется обычным способом возбуния колебания. Антенна заряжается непосредственно индукции катушкой и разряжается через искру. Ввиду значительныхь в искре и сильного излучения антенны волны получаются доэ сильно затухающие. Кроме того, ввиду сравнительно малой ёмкости воздушных проводов, запас энергии в них невелик. Количество энергии можно увеличить, лишь повышая напряжение, т.е. длину искры, но это сопряжено, обычно, с большими потерями вследствие утечки зарядов в землю или воздух. Поэтому применение этой системы, отличающейся, правда, своей простотой, ограничены телеграфированием на небольшие расстояния.

Система Braun'a. Колебания возбуждаются не непосредственно в антенне, а в замкнутом вибраторе (первичная система), который индуктивно или гальванически связан с антенной (вторичная система). Затухание собственных колебаний первичной системы зависит, главным образом, от присутствия искры и может быть сделано достаточно малым. В зависимости от емкости С конденсатора первичной системы, запас энергии, излучаемой антенной, может быть сделан очень большим. Наконец, преимуществом этого метода является то, что заряды сообщаются антенне колебаниями высокой частоты и вследствие этого потери в ней из-за недостатков изоляции очень невелики.

Мы можем различать два случая применения метода Braun'a: случай слабой и случай тесной связи между первичной и вторичной системой. Первый аналогичен тому, который рассматривался в параграфе 4. Во вторичной системе возбуждаются два колебания с различными декрементами (формула 20): сильно затухающие, собственные колебания антенны и слабо затухающие, вынужденные, соответствующие колебаниям замкнутого вибратора. Вследствие этого амплитуда колебаний довольно быстро достигает максимума, а затем медленно убывает с декрементом, приблизительно соответствующим декременту колебаний первичной системы. Волны, излучаемые вибратором, поэтому слабо затухающие, но ввиду слабой связи амплитуда их мала.

Если усилить связь настолько, что обратное действие колебаний вторичной системы на первичную будет заметно, то мы получим случай, рассмотренный в параграфе 8. В антенне появятся два колебания с различными периодами и декрементами. Декремент более слабо затухающего колебания можно считать приблизительно равным полусумме декрементов собственных колебаний антенны и первичной системы, т.е. колебания могут быть сделаны менее затухающими, чем собственные колебания антенны. Амплитуда колебаний возрастает, конечно, при усилении связи.

Слабое затухание волн в системе Braun'a дает возможность воспользоваться выгодами настройки в резонанс отправительной и приемной антенны. Амплитуда колебаний достигает при этом максимума, который тем больше, чем меньше затухание колебаний. Зависимость максимума амплитуды или интегрального действия от точности настройки колебаний может быть представлена резонансными кривыми, подобными тем, которые изображены на рис. 9. Так как при малых декрементах максимум на кривых отличается особенной остротой, то необходимо, чтобы отправительная и приемная станция были настроены на одну и ту же длину волны и чтобы период волн был совершенно постоянным. При несоблюдении этих условий действие волн на приемной станции уменьшается весьма значительно. Эта система отчасти гарантирует передачу сигналов только на станцию назначения, настроенную на определенную длину волны.

Система незатухающих колебаний. Практическое осуществление незатухающих колебаний, которые дают возможность наиболее совершенно использовать резонансные явления, оказалось возможным при помощи поющей дуги (параграф 7) с металлическими электродами. Однако, этот метод, на который возлагались большие надежды, на практике оказался мало надежным ввиду неустойчивости периода поющей дуги. Система ударного возбуждения колебаний М. Wien'а (параграф 9) дает возможность получить в замкнутом вибраторе, свободном от искрового промежутка, колебания с одним определенным периодом и весьма слабым затуханием. Для этого он связывается довольно тесно с замкнутым вибратором, в котором колебания возбуждаются обычным путем при помощи очень короткой искры. Амплитуда этих колебаний мала ввиду малой длины искры, но это компенсируется большим числом разрядов в секунду (несколько сот). Искра при работе индукционной спирали издает музыкальный тон (звучащая искра), число колебаний которого соответствует числу разрядов. Если на приемной станции пользоваться детектором с телефоном, то принимаемые волны дают звук определенного тона, который легко отличить от посторонних шумов, вызываемых, например, электрическими разрядами в атмосфере, замкнутый вибратор связан с антенной так же, как в системе Вraun а; преимущество же ударного возбуждения колебаний заключается в том, что устранена искра, увеличивающая затухание замкнутого вибратора" [ 112 , т. 5, с. 431-433].

Как легко видеть из этого отрывка, Д.А. Рожанский в рамках научного обзора как бы демонстрирует взаимосвязь (иными словами - неслучайность) своих работ: здесь и поющая дуга, и искровой разряд, и эффект М. Вина, и резонансные кривые. В целом же получается весьма квалифицированное описание текущего состояния радиотехники. Исследование антенн Вклад Д.А. Рожанского в область исследований открытых систем - антенн отражен в двух основных работах: "Динамические постоянные воздушного провода" [ 35 ] и "Об излучении антенны" [ 41 ], опубликованных в 1922 г. В начале цикла работ Д.А. Рожанский ясно и четко формулирует проблему: "Колебания в проводнике с распределенными по его длине емкостью, самоиндукцией и сопротивлением, как известно, существенно отличаются от подобных явлений в цепях с квазистационарным распределением тока. Но так как последний случай, как более простой и легче доступный теоретической обработке, лежит в основании наших представлений о колебательных явлениях, то естественным образом возникает стремление свести более сложный механизм колебаний открытого вибратора к знакомой схеме колебаний замкнутой цепи. Представлением об эквивалентной замкнутой цепи и об эквивалентных постоянных воздушного провода приходится пользоваться при расчетах и измерениях воздушной сети, но теоретического обоснования и освещения этой практики до сих пор не имеется в русской и, насколько мне известно, в иностранной литературе" [ 35 , с. 293].

В качестве своих предшественников в обращении к этой проблеме Д.А. Рожанский называет И.А. Ценнека, к результатам которого он относится скептически, а также А.А. Петровского, предложившего интересную постановку вопроса, и К.В. Вагнера, получившего несколько частных, но практически значимых результатов.

Основной вопрос, на который далее пытается ответить автор, формулируется так: "что следует понимать под эквивалентными постоянными антенны, если предположить, что распределение емкости, самоиндукции и сопротивления в ней известно, и если колебания в ней таковы, что в каждой точке сила тока и потенциал изменяются по одному и тому же закону" [ 35 ]. Выделенное курсивом условие, как подчеркивает Д.А. Рожанский, весьма существенно "так как величина постоянных, которые принято называть динамическими, зависит от распределения тока и потенциала в антенне, и мы вправе ожидать определенного решения задачи только в случае стационарного распределения этих величин, не изменяющегося во времени" [ 35 ].

Метод расчета, используемый Д.А. Рожанским, основан на уравнениях Кирхгофа для случая распространения волн вдоль цилиндрических проводников. Автор получает уравнения, описывающие процессы в антенне, аналогичные уравнениям, описывающим процессы в замкнутом контуре и, сравнивая соответствующие коэффициенты, находит "динамические постоянные антенны, определяющие период колебаний, отношение амплитуд тока и напряжения и коэффициент затухания" [ 35 , с. 296].

Как обычно, Д.А. Рожанский не забывает о методических и практических проблемах. Прежде всего, он отмечает, что в некоторых частных случаях полученное определение динамических переменных может потребовать модификации. Затем он делает из проведенного рассмотрения практический вывод, который заслуживает того, чтобы привести его полностью:

"Динамические постоянные антенны зависят от распределения тока и потенциала в воздушной сети и изменяются при изменении распределения этих величин. Они характеризуют поэтому не столько воздушную сеть, сколько режим колебаний, который в ней устанавливается. Все способы измерений, основанные на изменении этого режима, не могут дать результатов, характеризующих свойства антенны. Мы можем правильно интерпретировать их только после того, как решим задачу о распределении тока и потенциала при первоначальном и измененном режиме" [ 35 , с. 298].

Вторая статья на эту тему "Об излучении антенны" является естественным продолжением первой. Д.А. Рожанский использует в ней метод, предложенный немецким физиком М. Абрагамом для вычисления энергии, излучаемой прямолинейным вертикальным проводом, один конец которого заземлен, при условии, что земля считается идеальным проводником. Суть метода Абрагама состоит в том, что "когда антенну нельзя рассматривать как диполь, т.е. размеры ее не малы по сравнению с длиной излучаемой волны, то электромагнитное поле на большом расстоянии от нее может быть вычислено по принципу интерференции, как результат наложения полей, создаваемых различными элементами антенны" [ 41 , с. 436]. Собственно само решение уравнений, найденное автором, сейчас может рассматриваться как полезная задача по курсу электродимики для старшекурсников. Гораздо важней тот метод, который предложен в этой статье для учета взаимовлияния различных элементов антенны при расчете сопротивления излучения. Сам Д.А. Рожанский формулирует задачу так: "...несомненно, что сопротивление излучения распределено вдоль антенны и не одинаково в разных ее точках. Оно обусловлено не только излучением отдельных элементов антенны, но и их взаимодействием. Но для того, чтобы найти это распределение, необходимо решить такую задачу: какую величину имеет в различных точках антенны та электрическая сила, которая должна быть компенсирована внешней электродвижущей силой, для того, чтобы колебания были незатухающими. Эта электрическая сила должна иметь ваттную составляющую, т.е. совпадающую или вернее противоположную по фазе току в антенне" [ 41 , с. 442]. Суть приема, позволяющего решить такую задачу описана в следующем же абзаце статьи: "Мы можем подойти к решению этого вопроса двояким путем. Первый аналогичен принципу Гюйгенса. Если известно распределение электрической силы на какой-нибудь замкнутой поверхности S и зависимость ее от времени, можно, применяя известное преобразование Грина, найти значение электрической силы в любой точке С внутри этой поверхности для любого момента С. Обозначим это значение Е0. Определение этой величины предполагает, что нам даны значения Е для всех точек поверхности S в моменты t - г/с, где второй член представляет время, необходимое для распространения света от соответствующей точки S до точки С. Но совершенно таким же образом можно определить Е0, если известна величина электрической силы на S в моменты более поздние, т.е. в моменты t + г/с. В этом случае по данным значениям Е на S мы ретроспективно определяем значения светового вектора в тех точках, откуда свет приходит к точкам поверхности S" [ 41 ].

Проводя необходимые вычисления, Д.А. Рожанский приходит к выводу о том, что этот метод, названный впоследствии "методом наведенных эдс", применительно к прямому проводу Абрагама дает результат, совпадающий с полученным немецким ученым, что подтверждает правильность этого метода.

Второе направление работы Д.А. Рожанского в Нижнем Новгороде являлось продолжением его исследований, начатых в Харькове, - это исследование резонансных кривых. На эту тему он опубликовал пространную работу в двух частях "Резонансные кривые при различных типах затухания" [ 39 , 40 ].

Статья начинается со ссылки на статью 1917 г. и краткого описания полученных в ней результатов. Далее Д.А. Рожанский пишет:

"Однако этот вопрос нуждался в дальнейшей разработке. Линейное затухание колебаний представляет собой частный случай возможных типов искрового затухания. Необходимо было обобщить метод вычисления резонансных явлений таким образом, чтобы можно было легко распространить его на различные типы, отличающиеся от линейного, но возможные в цепи, содержащей искровой промежуток. Кроме того, необходимо было учесть влияние нормального затухания колебаний резонатора на форму резонансных кривых, так как первоначальный результат получен в предположении, что затухание это чрезвычайно мало. Между тем при резонансных измерениях могут создаться условия, при которых допустимость такого предположения делается весьма сомнительной. Хотя резонирующий контур состоит только из металлических проводниов и конденсатора, которые при правильной постановке опыта не должны быть источником значительных потерь, но при недостаточной чувствительности термоиндикатора или гальванометра связь резонатора с индикаторной цепью должна быть довольно тесная, что ведет к усилению затухания колебаний" [ 39 , с. 634].

Для понимания общего подхода Д.А. Рожанского к теоретическим разработкам очень важным представляется следующий фрагмент из введения к рассматриваемой статье:

"Необходимо указать те ограничительные условия, при которых только и могут быть получены сравнительно простые результаты, приводимые ниже. В большинстве случаев, представляющих практический интерес, эти условия соблюдены, и вряд ли необходимо осложнять задачу, имея в виду, например, очень сильно затухающие колебания или исследование резонансных кривых вдали от максимума.

Как и в большинстве вопросов из области теории резонансных явлений все формулы, годные для численных подсчетов, представляют из себя приближения, получаемые частью в результате приближенных вычислений, частью путем упрощения конечных формул и замены в них точных величин их приближенными значениями. Наиболее целесообразным способом вычислений можно считать тот, который дает наиболее простые и достаточно точные (в пределах допустимых погрешностей) результаты. Как будет видно из дальнейшего, отдельное вычисление основных величин и поправочных членов разных порядков малости значительно упрощает конечные формулы и позволяет дать теории законченный вид. Те ограничения, которые устанавливают порядок различных величин, необходимо иметь в виду не только при упрощении окончательных выражений, но и на первых шагах вычисления" [ 39 , с. 635].

Это - кредо не специалиста по математической физике, а экспериментатора, прекрасно владеющего математикой (обратите внимание на последнюю фразу отрывка!). Вот как проявлялась фундаментальная математическая подготовка, вот где сказывались суровые требования к магистерским экзаменам! Здесь нет необходимости описывать ход решения задачи и расчеты, позволяющие сравнить предсказания теории с данными опыта. Это, скорее, простая и убедительная математика, нежели физика. Однако она позволила Д.А. Рожанскому получить то, к чему он стремился и что определил как "главнейшие результаты": Приближенное вычисление колебаний резонатора дает сравнительно простые и общие формулы для различных типов затухания нормального, так и аномальных (искровое затухание). При помощи этого метода получены резонансные кривые как по максимальной амплитуде, так и по интегральному действию тока в случае исчезающего вторичного затухания. Установлен тип резонансной кривой при линейном затухании и дан способ определения разностного декремента. Даны формулы для вычисления электродинамических резонансных кривых при нормальном затухании. Исследовано влияние затухания в резонаторе на форму резонансных кривых. Выяснены возможные типы искрового затухания. Введено понятие о среднем коэффициенте затухания и выяснено его влияние на резонансные кривые и связь с величиной электродвижущей силы в искре [ 39 , с. 728]. Эти исследования были проведены после переезда Дмитрия Аполлинариевича в Нижний Новгород.

Ссылки: