Scienty

Научно-исследовательский институт механики МГУ имени М.В. Ломоносова был основан в определенный период и имел конкретную цель. Какие задачи были поставлены перед институтом на момент его создания и какие актуальны в настоящее время? Что представляет собой явление ползучести и какое воздействие оно может оказать на строительные конструкции? Почему значимость оболочки сопоставима со значимостью всей конструкции? Ответы на эти вопросы дает член-корреспондент РАН Дмитрий Владимирович Георгиевский, директор НИИ механики МГУ, заведующий кафедрой теории упругости механико-математического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.

— Институт имеет богатую историю, являясь одним из старейших в системе Московского государственного университета. Когда и при каких обстоятельствах он был основан?

— Институт механики был учрежден постановлением Правительства СССР в 1959 году. Это один из первых научно-исследовательских институтов, входящих в структуру МГУ. Изначально он предполагался как объединение экспериментальных лабораторий, расположенных на кафедрах отделения механики механико-математического факультета МГУ. Мехмат к тому времени уже функционировал более 25 лет, будучи основанным в 20 веке, и лаборатории были при кафедрах отделения механики. В то время их было семь. В течение 1960-х годов институт постепенно начал отделяться от структуры мехмата. И в 1967 году было принято решение о создании самостоятельного структурного подразделения в МГУ — Институт механики. С тех пор это независимый научно-исследовательский институт, в котором мы сейчас работаем. Но формально он существует с 1959 года, поэтому до 70-летнего юбилея осталось не так далеко.

— С чем было связано отсутствие факультета механизма и почему возникла необходимость в создании отдельного института?

— На кафедрах механико-математического факультета в первую очередь велись фундаментальные, теоретические исследования. Безусловно, они необходимы и важны, поскольку без формул невозможно практическое применение. Однако нередко эти формулы ограничивались лишь самими собой, не находя практического применения. После войны возникла потребность в срочном выполнении важных для страны заказов, требующих качественного выполнения в сжатые сроки.

— Вы говорите об атомных и космических программах?

— Да. Подобно Институту ядерной физики МГУ, Институт механики изначально создавался для реализации именно таких проектов. Со временем спектр задач расширился и включил в себя гидродинамику, аэродинамику и газовую динамику. Эти направления продолжают активно развиваться, и предсказать их состояние через десять лет сейчас представляется невозможным.

— Какие события происходят в настоящее время в институте и какие ключевые направления развития существуют?

— Механику, как мы с вами и многие другие, разделяют на три основных цикла. Первый из них касается механики абсолютно твердого тела, при которой деформациями можно пренебречь. Он охватывает движение тел и систем тел. В эту область входят робототехника, механика космического полета и небесная механика – все, что связано с понятием «движение». В данном направлении функционируют две крупные лаборатории: одна специализируется на робототехнике и носит соответствующее название, а вторая – лаборатория общей механики.

— Какие решения в области робототехники вы предлагаете?

— Шагающая собака, неоднократно демонстрировавшаяся на выставках и в телевизионных передачах, пользуется широкой известностью. Она способна перемещаться в различных режимах. Это лишь один из примеров. Такие роботы предназначены для доступа в труднодоступные для человека места и выполнения задач в опасных зонах, например, при высоких температурах или сильной радиации. Робототехника играет важную роль, современные роботы – это наше будущее. Беспилотные летательные аппараты также являются разновидностью роботов. Данное направление связано с управлением абсолютно твердыми конструкциями.

Вторым направлением являются гидродинамика, аэродинамика и газовая динамика, которые посвящены изучению движения жидкостей, газов и плазмы. В нашем распоряжении находятся передовые экспериментальные установки, позволяющие моделировать сложные технологические и атмосферные процессы. Отдельная лаборатория механики природных процессов занимается описанием техногенных явлений, происходящих в природе, таких как сели, бураны и смерчи, а также их воздействие на человека. Газовая динамика представляет собой сложную научную дисциплину: движение газа – это взаимодействие миллиардов молекул, которое упрощается до представления о сплошной среде, характеризующейся хаотичностью. Детонация и ударные волны – лишь некоторые из явлений, которые сложно представить даже специалисту. В отличие от жидкостей, газ можно сжимать во много раз, нагревать до экстремально высоких температур и ионизировать. Не всегда очевидно, как смоделировать эти процессы и применить их для решения конкретных прикладных задач. Здесь разработаны соответствующие алгоритмы и решения. Человечество уже достигло уровня предельной формализации этих процессов.

Третье направление охватывает деформацию твердых тел. В данном случае рассматриваются тела, не обладающие абсолютной твердости, а подверженные деформации, причем игнорировать эти деформации недопустимо.

— В частности, этим вопросом руководит академик И.Г. Горячева.

— Ирина Георгиевна, председатель Российского национального комитета по теоретической и прикладной механике, работает в лаборатории проектирования и прикладных методов расчета композитных конструкций нашего института. Она возглавляет один из крупнейших в России научно-исследовательских семинаров по механике деформируемого твердого тела, ежемесячные заседания которого проводятся в институте. Ирина Георгиевна является ведущим специалистом в области механики контактного взаимодействия и трибологии – науки, изучающей трение соприкасающихся тел. В данном цикле насчитывается шесть лабораторий. Я руковожу одной из них – лабораторией упругости и пластичности. Наши исследования посвящены вопросам упругопластического деформирования тел и конструкций, а также вопросам вязкоупругости и ползучести.

— Что такое ползучесть?

— Представьте себе стержень, на который воздействует нагрузка. Мы измеряем, изменится ли его длина под действием этой нагрузки. В настоящее время он имеет определенную длину, и через день она может измениться. Подобные эксперименты могут проводиться на протяжении месяца.

— Что это дает?

— Необходимо понимать свойства материалов. Все известные нам строительные конструкции рассчитаны на длительный срок службы, часто на сотни лет. Однако за это время они подвержены деформации, известной как ползучесть. Поэтому важно математически моделировать эти процессы.

— Объясните, пожалуйста, почему лестница обрушилась при входе в ваш институт? Не учли особенности деформации материалов?

— Возможно. Не исключено, что используемые строительные материалы не соответствовали всем требованиям.

— Вы не исследовали этот вопрос?

— Нет. Однако около 15 лет назад мы проводили исследования шпиля МГУ, изучая его колебания и движение, а также оценивая воздействие ветровых нагрузок.

— И как?

— Строителям были предоставлены рекомендации по укреплению отдельных конструктивных элементов с учетом воздействия ветровой нагрузки. Подтверждением этому служат соответствующие публикации (Кийко И.А., Муравлев А.В., Сахаров А.Н., Чистяков П.В., Новотный С.В., Жуков А.И. Тензометрическое исследование и расчет деформированного состояния элементов конструкций шпиля высотного здания МГУ // Вестник МГУ. Сер. 1. Математика, механика, 2011. № 6. С. 37–40).

— Кому вы еще давали рекомендации?

— К нам поступает множество обращений. В настоящее время активно развивается строительная аэродинамика. Даже для возведения одного дома, не говоря уже о строительном комплексе, требуется наличие документов от специалистов в области аэродинамики, касающихся ветровой нагрузки. Способно ли здание противостоять воздействию ветра определенной силы при конкретной розы ветров и под определенным углом? Какова будет реакция человека, находящегося вблизи него? В настоящее время мы проводим исследования, выполняем модельные эксперименты: строим здания в уменьшенном масштабе и тестируем их в аэродинамической трубе. По итогам выдаем сертификаты.

— Вы возводите небольшие дома, словно дети? Какие материалы при этом используются?

— Материалы могут быть разными. Главное — их поведение под воздействием ветрового потока. Этот эксперимент позволяет получить данные о том, как поведет себя дом при ветровой нагрузке, то есть при сильном ветре.

— Как вы создаете ветер?

— В аэродинамической трубе включают оборудование, и компрессор начинает подавать воздух с заданной скоростью.

— Каким требованиям должны соответствовать постройки, чтобы они были устойчивыми?

— Мы определяем это для каждого конкретного случая. Предоставляем различные варианты и даем рекомендации архитекторам и строителям, чтобы эти дома были надежными.

— Где будут строиться такие дома?

— В настоящее время в Москве активно ведутся строительные работы. Строительные жилищные комплексы, расположенные на Дмитровском шоссе, Волоколамском шоссе и в других районах города, заключают с нами договоры. Объем заключенных договоров весьма значителен.

— Означает ли это, что в Москве возводят здания не хаотично, как это часто утверждают, а на основе научных расчетов?

— Строительство возможно только при наличии соответствующей документации, например, от нас, подтверждающей, что планировка домов соответствует всем требованиям безопасности.

— Учитывая все более частое возникновение экстремальных природных явлений, о чем свидетельствуют исследования климатологов и геофизиков, данная проблема приобретает особую значимость.

— В Москве ежегодно случаются ураганы, срывающие деревья. Однако падение дерева — это одно, а повреждение строений — совсем другое. Должен быть значительный запас прочности. Это важные гарантии, и ученые несут за них большую ответственность.

— Какими исследованиями вы как ученый еще занимаетесь?

— В нашей лаборатории, к примеру, изучается течение тонких пластических тел. Мы решаем задачи, связанные с прессованием прецизионно тонких пластических материалов. Представьте себе две абсолютно жесткие плиты, сближающиеся друг к другу, а между ними – непрерывная среда, которая вытекает. Мы анализируем напряженно-деформированное состояние и определяем режимы получения таких слоев, представляющих собой технологию изготовления оболочек различной формы: плоских, сферических, конических или цилиндрических – в зависимости от практических потребностей.

— А для чего нужны эти оболочки?

— Наш мир состоит из оболочек. Корпуса самолетов, корабли, космические аппараты — все это примеры оболочечных конструкций. Пластины, оболочки, стержни относятся к так называемым тонким телам, у которых один или два размера значительно меньше третьего. Изучением динамики их деформации, особенно в экстремальных условиях, занимается наша лаборатория.

— Как вы проводите свои эксперименты?

— В нашей лаборатории по динамическим взаимодействиям имеется экспериментальная база, где проводятся исследования ударных, откольных и других взаимодействий. Заметно, как отделяется фрагмент от материала и удаляется при сильном воздействии. Откол возникает не непосредственно от удара, а вследствие разгрузки. На этапе сжатия с материалом не происходит изменений. Затем волна отражается, начинается разгрузка, возникает растяжение — и материал разрушается под воздействием растяжения. В режиме 1 : 1 000 000 в трубе мы отслеживаем, как этот фрагмент удаляется. Этот процесс занимает миллисекунды, однако мы просматриваем запись в течение нескольких минут, определяем параметры. В целом, механика — это математическое моделирование окружающих нас явлений. Механика, безусловно, опирается на физику. Это физические задачи. Институт занимается исследованиями, основанными на практике, а не на теоретических построениях. Однако используемый аппарат носит математический характер. Как мы обычно говорим, механика обладает физическим содержанием и математической формой. Но механика, следует отметить, изучается не на физическом факультете МГУ, а на механико-математическом, поскольку, по моему опыту, науки разделяются не по содержанию, а по способу изложения. Механика по своей форме гораздо ближе к математике, поскольку использует математический аппарат. Поэтому в 1933 году, когда «Большой физмат» был разделен, механика отделилась не от физики, а от математики.

— Имеют ли ваши исследования, посвященные оболочкам, практическую ценность? Получаете ли вы запросы от организаций и выполняете ли заказы?

— Оболочечные конструкции составляют 80–90% всех конструкций, с которыми мы сталкиваемся. Это особенно важно в тех случаях, когда необходимо создать внутреннее давление, например, в трубах, по которым транспортируются жидкости или газы под высоким давлением. Важно определить, способна ли такая труба выдержать это давление и не появится ли в ней трещины, будь то магистральная или небольшая. Расчет оболочечных конструкций является необходимым процессом. Котлы высокого давления также являются примером оболочечных конструкций. Теоретические основы механики оболочек были разработаны еще в 50–60-х годах прошлого века. Однако в настоящее время используются материалы с принципиально другими, заданными свойствами, и важно обеспечить их эффективную работу в заданных условиях.

— Какую роль играет оболочка в функционировании всей системы?

— Потеря устойчивости или разрушение оболочки приведет к неработоспособности системы.

— Это явление имеет и философскую подоплеку. В пример можно привести «Шинель» Гоголя: шинель, выполнявшая роль оболочки для персонажа, фактически стала его сущностью.

— Да, это интересная аналогия. Другой пример – динамическая устойчивость деформирования тонких тел. Рассмотрим явление флаттера в авиации. Это серьезная проблема: во время полета, в определенных диапазонах параметров, может возникнуть быстрое увеличение амплитуды колебаний крыла, что может привести к его отрыву. Это также относится к явлениям, изучаемым в теории пластин и оболочек. Повсюду, куда мы обращаем свой взгляд, мы сталкиваемся с тонкими телами. Теория тонких тел в настоящее время является одним из основных направлений в механике сплошной среды.

— Каковы научные планы вашего института? В каких областях вы планируете развитие?

— Многочисленные планы уже существуют. В нашей организации работает высококвалифицированный коллектив, включающий 20 лабораторий, возглавляемых опытными учеными. Каждая лаборатория фокусируется на перспективных направлениях. В целом, речь идет о разработке новых материалов с заданными характеристиками. Это не ограничивается только механикой. Науки о материалах входят в состав отделения химических наук РАН. Однако создание новых материалов требует знания и учета их механических свойств. Если разрабатываемые материалы предназначены для конкретного процесса, они должны обладать заранее определенными свойствами, что является сложной задачей. Механика новых материалов является приоритетным направлением.

Вторым ключевым направлением является вычислительная механика. Развитие суперкомпьютерных технологий потребовало разработки специализированных математических и механических методов, предназначенных для работы на компьютерах подобного класса. Для создания таких методов необходимо глубокое знание предшествующей истории, которым обладают лишь специалисты в области механики. Вычислительная механика, реализуемая на суперкомпьютерах, представляет собой одно из наших приоритетных направлений.

Далее следует рассмотрение динамики процессов. Динамика предполагает учет временного фактора: явления, происходящие за миллионные доли секунды, могут изменять математическую модель и ее внутреннюю структуру. Это весьма сложные области исследований. Прогнозировать действия на пять лет вперед здесь затруднительно. Мы стремимся работать в этом направлении, однако я считаю, что необходимо развивать не только те области, где очевиден будущий результат. Важно развивать то, что можно улучшить в настоящее время. А где произойдет прорыв, предсказать невозможно.

— Разве вам позволено, подобно барону Мюнхгаузену, заявить о намерении сделать открытие уже сегодня?

— Да, у него был запланирован подвиг на десять утра. Мы не знаем, где произойдет прорыв. Однако, нам необходимо максимально расширять наши возможности, чтобы встретить его, будучи полностью подготовленными и всегда готовыми. В качестве примера приведу случай из истории науки. Возьмем древних греков, которые изучали конические сечения. Им задавали вопрос: «В чем смысл этих занятий, ведь вокруг нас в основном встречаются прямые и окружности!» Тем не менее, они продолжали исследовать свойства кривых и поверхностей второго порядка. И впоследствии, спустя много веков, когда Иоганн Кеплер открыл законы движения небесных тел, весь необходимый математический аппарат оказался перед ними как на ладони. Стало ясно, что такое фокус орбиты, или, например, то, что совершенно разные, казалось бы, кривые — эллипс и гипербола — с математической точки зрения отличаются лишь знаком дискриминанта.

— Кто трудится в вашей компании? Как вы находите своих сотрудников? Все они выпускники механико-математического факультета?

— Многие выпускники имеют образование, полученное в механико-математическом факультете МГУ, в частности, на кафедрах механики. Также в нашей команде работают выпускники физического факультета, факультета вычислительной математики и кибернетики, а также выпускники новых факультетов, организованных в последние годы, таких как факультет космических исследований (ФКИ) и факультет новых материалов (ФНМ). Стоит отметить, что в 1990-е и 2000-е годы мы преподавали механику на факультете новых материалов. К нам приходят специалисты и из других учебных заведений, включая МГТУ им. Бауманки, НИУ МИФИ и Физтеха. Это новые, перспективные кадры, и мы рады их видеть. В целом, в институте царит дружелюбная атмосфера. Здесь проводятся соревнования по бильярду, дартсу и шахматам. У нас также проходят концерты известных пианистов, поскольку среди сотрудников есть талантливые музыканты. Я с удовольствием принимаю участие во всех этих мероприятиях. В юности я был капитаном футбольной команды факультета, а также немного играю на фортепиано.

— Действительно ли существует взаимосвязь между математикой и музыкой?

— Возможно, это и так происходит. Когда он поглощен каким-то делом на длительное время, необходимо отвлечься от математики. Однако не стоит просто смотреть в потолок — требуется заняться чем-то совершенно иным. Одни находят такое отвлечение в музыке или шахматах, другие отправляются играть в футбол.

— Часто утверждают, что музыка представляет собой математически структурированное звучание. Разделяете ли вы такое мнение?

— Подобное чувство возникает. Неискренность, проявляющаяся как в музыке, так и в математике, полностью нивелирует весь процесс. В математике даже незначительная ошибка может существенно повлиять на конечный результат. Аналогично и в музыке. Когда юный Вольфганг Амадей Моцарт слышал фальшь в исполнении оркестра, диссонанс вызывал у него крайне болезненную реакцию. Это была очень острая реакция на неточность, и, возможно, именно это роднит математику и музыку.

Интервью стало возможным благодаря поддержке Министерства науки и высшего образования РФ