VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Математики на защите Отечества
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Тема работы: Математики на защите Отечества
Актуальность
Как воздух, математика нужна, одной отваги мало!
Расчёты ! Залп! И цель поражена могучими ударами металла.
И воину припомнилось на миг, как школьником мечтал в часы ученья
О подвиге, о шквалах огневых, о яростном порыве наступленья.
Но, строг учитель был, и каждый раз он обрывал мальчишку резковато:
« Мечтать довольно! Повтори рассказ о свойствах круга и угла квадрата!»
И воином любовь сбережена к учителю далёкому, седому.
Как воздух, математика нужна сегодня офицеру молодому!
Значение математической науки в образовании, и особенно при подготовке кадров для Вооруженных Сил, трудно переоценить. Научное понимание основ и принципов работы вооружения, военной техники, умение мыслить и использовать математический аппарат для освоения других наук очень нужно современному солдату , а особенно командиру.
Прошло 75 лет со дня победы советского народа в Великой Отечественной войне. Неисчислимые жертвы понесла страна во имя независимости, свободы и общественных идеалов; миллионы погибших и раненых, страдания от голода, тысячи разрушенных городов и деревень, сотни тысяч угнанных на фашистскую каторгу. Несмотря ни на что советский народ выстоял и победил.
Огромная роль в победе нашего народа принадлежит науке, в частности, математике. Одновременно с развертыванием фронтов действующей армии советские математики в научно-исследовательских институтах, лабораториях, конструкторских бюро открыли невидимый для непосвященных свой фронт борьбы против фашизма и с честью вышли победителями в этом поединке с врагом.
Давая оценку вклада советских ученых в военное дело, президент Академии Наук СССР С. И. Вавилов написал: “Почти каждая деталь военного оборудования, обмундирования, военные материалы, медикаменты – все это несло в себе отпечаток предварительной научно-технической мысли и обработки”. В значительной части эти мысли были результатом математического поиска или математической обработки изучаемых явлений.
До сих пор нет сводного труда, который бы показал, как много математики дали фронту для победы, как их исследования помогали совершенствовать оружие, которое использовали воины в боях. Этот пробел следует восполнить как можно быстрее, поскольку многих из тех, кто это делал, уже нет в живых, поскольку человеческая память несовершенна и многое забывается. А нам никак нельзя забывать о том, что подвиг народа в Великой Отечественной войне не ограничивается только славными делами фронтовиков, что основы победы ковались и в тылу, где руками рабочих и их разумом, руками и разумом инженеров и ученых создавалась и совершенствовалась военная техника.
Цель исследования
Выяснить роль математики в военном деле. Изучить и обобщить материал о роли математиков и вкладе науки в оборону страны, в Победу русского народа в Великой Отечественной Войне, в производство современных средств защиты Родины от агрессора.
Задачи исследования
Изучить теоретический материал по данной теме
Раскрыть роль науки математики в научных изобретениях для превосходства армии
Раскрыть личный вклад математиков, внесенный в Победу в ВОВ
Объект исследования
Военные технологии и оружие довоенного времени и в Великой Отечественной войне.
Методы исследования
Изучение теоретического материала книг, журналов и сайтов сети Интернет. Анализ и систематизация материала.
Практическая значимость работы
Данная работа может быть использована на уроках математики, классных часах для воспитания у учащихся чувства патриотизма и гордости за родную страну.
Основная часть.
2.1 Попытки применения математики в военном деле обнаруживается в глубокой древности.
В конце 18 – начале 19 века в связи с увеличением производства и совершенствованием вооружения для массовых регуляторных армий и флотов начинается широкое использование математических методов в области проектирования, исследования и производства вооружения.
Мы хорошо знаем, что создание математического анализа – дифференциального и интегрального исчислений – в значительной мере было связано с задачами, выдвинутыми артиллерией, и что позднее, в свою очередь, развитие новой математики оказывало огромное влияние на прогресс самой артиллерии. Во все времена считалось, что артиллерийский офицер одновременно является хорошим знатоком математики. В этом плане прекрасное утверждение высказано в одном из древнерусских сочинений по артиллерии: «… начальное, во – первых, орудие, еще пушкарю подобает при себе имети – есть циркуль». (Цит. По кн.: А. Платов и Л. Кирпичев. Исторический очерк образования и развития артиллерийского училища. Спб., 1870).
Само собой разумеется, что авторы, говоря о циркуле, имели в виду не только и не столько этот простейший прибор для черчения, сколько математику с ее возможностями строгих логических выводов и расчетов.
Для создания армии, в начале XX века, необходимо было наряду с подготовкой командного состава, решить ряд научных и инженерно – технических проблем. Проблемы артиллерии по–прежнему оставались решающими. Но наряду с ними появились задачи, связанные с созданием собственной авиации, бронетанковых сил, организацией проводной и радиосвязи. Они требовали не только привлечения известных и уже хорошо разработанных математических методов, но и создания новых методов исследования.
В ту пору на первом месте стояли проблемы, связанные с полетом самолета. Теория полета позволила рассчитывать аэродинамические свойства конструкций до их постройки и испытания в воздухе. Эту работу возглавил выдающийся ученый Н.Е. Жуковский (1847-1921). Он и его ученики положили начало замечательному учреждению, получившему позднее наименование ЦАГИ (Центральный аэрогидродинамический институт).
В связи с исследованием механики полета при больших скоростях М.А. Лаврентьев разработал новую математическую теорию квазианалитических функций, позволяющую учитывать сжимаемость воздуха.
Совершенно естественно, что математическая теория полета самолета была лишь одной из проблем, которые требовали серьезного участия математиков. Другие проблемы были связаны с новыми аспектами теории стрельбы: стрельба из танка, стрельба из самолета и по самолету, рассеивание при бомбометании и так далее. Большое значение приобрели вопросы устойчивости движения (самолета, снаряда, корабля, торпеды и прочее). Военное дело потребовало широкого привлечения ряда новых методов математики, в частности теории устойчивости движения, начало которой было положено еще в XIX веке А.М. Ляпуновым (1857-1918). Ляпунов разрабатывал эту теорию в связи с задачами устойчивости Солнечной системы. Но в науке часто случается, что математические приемы, созданные для определенной задачи практики, находят позднее многочисленные новые применения, и в том числе в областях знания, очень далеких от первоначальной.
Чтобы поднять самолет в воздух, требуется создать легкую и одновременно прочную конструкцию корпуса и фюзеляжа. Вот почему большое значение для авиации, а также для морского дела получила проблема создания прочных и одновременно легких и тонких конструкций. Для ее решения необходимы не только физические эксперименты, но и математические расчеты, а также создание математических моделей интересующих нас реальных явлений.
2.2 На защите Отечества.
Важнейшим фактором, приближавшим победу нашего народа в Великой Отечественной войне, следует считать решения важных прикладных задач, которые осуществили в предвоенные годы и в годы войны советские математики.
Роль математиков велика не только в научных изобретениях для превосходства армии, но и в личном вкладе в Победу.
Отложив свои привычные дела, многие математики возводили оборонительные сооружения, с оружием в руках сражались на фронтах в частях действующей армии, соединениях народного ополчения, партизанских отрядах.
Они храбро воевали и честно исполняли свой гражданский долг. Несомненно, что при этом страна потеряла огромное число талантливой молодежи, которая могла бы стать гордостью отечественной науки. Каждый из университетов потерял многих молодых ученых, уже сумевших проявить себя и обещавших в будущем очень многое, но не вернувшихся с войны. Так, Московский университет потерял талантливых молодых математиков Г.М. Бавли, М.В. Бебутова, Н.В. Веденисова, В.Н. Засухина и многих, многих других. Они могли бы стать гордостью нашей науки, но воина прервала и зачеркнула развитие так славно начатого ими научного пути.
Добровольцем ушел на фронт и участвовал в боях выдающийся математик и педагог, член- корреспондент АН А.А.Ляпунов.
Вместе с другими слушателями Академии имени Жуковского не раз принимал участие в боевых операциях нашей авиации выдающийся геометр академик АН А.А.Погорелов.
Храбрым воином был известный математик академик, директор артиллерии на Пулковских высотах воевал выдающийся специалист в области теории чисел, теории вероятностей академик Ю.В.Линник.
Мы должны преклоняться перед выдержкой, самоотверженностью и верностью Отчизне, которую проявляли математики-воины. Однако нельзя забывать и о другом вкладе математиков в победу советского народа над сильным и коварным врагом. Этот вклад состоит в использовании тех специфических знаний и умений, которыми обладают математики. Значение этого фактора особенно важно в наши дни, когда война стала, в первую очередь, соревнованием разума, изобретательности и точного расчета. Дело в том, что для военных действии привлекаются все достижения естествознания, а вместе с ними и математика во всех ее проявлениях. Создание атомного и ракетного оружия потребовало не только использования физических законов, но и обширных математических расчетов, создания новых математических моделей и даже новых ветвей математики. Без таких предварительных математических исследований не создается ни одна техническая система и, чем она сложнее, тем разнообразнее и шире ее математический аппарат.
Исследованием артиллерийских систем занимались М. В. Остроградский (1801 —1862) и П. Л. Чебышёв (1821—1894), и последующие поколения ученых. Проблемы пристрелки, разработанные еще в XIX веке в связи с появлением новых типов артиллерии, потребовали в период Великой Отечественной войны дополнительных исследований и составления таблиц. Стрельба с самолета по самолету и по наземным целям также привела к математическим задачам, которые нужно было срочно решить. Ими занимались упорно как специалисты в области артиллерии, так и математики. Проблемы бомбометания привели к необходимости составления таблиц, позволяющих находить оптимальное время для сброса бомб на цель, область, которую накроет бомбовой удар. Такие таблицы были составлены еще до начала войны, но для самолетов, обладающих большими скоростями. Во время войны выявилась полезная возможность использования тихоходных учебных самолетов для ночных бомбежек. Были созданы специальные полки ночных бомбардировщиков, но для них не было своевременно создано таблиц бомбометания. Возникла срочная задача производства соответствующих расчетов. Таблицы были созданы и они оказали несомненную помощь нашим летчикам и летчицам.
Идет жестокая война. Фронт требует увеличения эффективности огня артиллерии, повышения меткости стрельбы. Важная проблема - увеличить вероятность попадания в цель при торпедном залпе. Возникла идея за счет искусственного рассеивания увеличить эту вероятность. Этой задачей занялся один из крупнейших наших математиков академик А.Н. Колмогоров. Ему удалось найти полное решение задачи и довести его до практического использования. Несомненно, что какую-то долю успехов наших моряков следует отнести и на счет этой решенной Колмогоровым задачи. Позднее его выводы были перенесены и на проблемы, связанные со стрельбой зенитной артиллерии по самолетам. Теория вероятностей позволила решить весьма важную задачу оборонного характера. Эта работа оказала серьезную помощь в повышении эффективности огня советской артиллерии.
Во время Великой Отечественной войны появилась еще одна проблема – обеспечение кучности боя и устойчивости артиллерийских снарядов при полете. Эту сложную математическую задачу успешно решил член-корреспондент Академии наук СССР Четаев Н. Г. Он предложил наивыгоднейшую крутизну нарезки ствола орудий, что позволило обеспечить кучность боя и устойчивость снарядов при полете.
Профессор С.В.Бахвалов, известный геометр, разработал теорию приборов управления артиллерийским огнем.
Важная для ПВО задача об устойчивости формы аэростата воздушного заграждения, а также прочности тросов заграждения была решена профессором Х.А.Рахматулиным.
В начале войны молодые ученые мехмата А.А.Космодемьянский и Л.П.Смирнов выполнили исследования, имеющие непосредственное отношение к первым образцам пороховых ракет, получивших название «катюш».
Благодаря новаторским расчетам математиков в СССР была сделана лучшая в мире каска с очень сложной кривизной поверхности, обеспечившей ее наилучшую отражательную способность.
В период Великой Отечественной войны техника была разнообразной и сложной. Она также требовала широкого использования математических расчетов для ее изготовления и эксплуатации. Увеличение скорости полета самолетов требовало не только повышения мощности двигателей, но и выбора оптимального профиля фюзеляжа и крыльев, а также решения многих других вопросов. В России над этими вопросами еще с прошлого века работал ряд ученых и в первую очередь Н. Е. Жуковский (1847 — 1921), названный В.И. Лениным отцом русской авиации. Он закономерно считается основоположником новой математической науки — аэродинамики, в которой ему удалось создать ряд сильных методов исследования и решить многочисленные актуальные задачи, основать большую научную школу, состоящую из ближайших учеников по университету и старейшему высшему техническому заведению Москвы — Московскому высшему техническому училищу.
Жуковский заложил основы Военно-воздушной академии, получившей впоследствии его имя, а также Центральный аэрогидродинамический институт. Это научное учреждение долгие годы работало под руководством одного из ближайших учеников и сотрудников Н.Е. Жуковского — С.А. Чаплыгина (1869 —1942) и объединили многих выдающихся исследователей — М. В. Келдыша (1911 — 1978).В.В. Голубева (1884 —1954), М.А. Лаврентьева (1900—1980) и др. Теоретический отдел разрабатывал многие важные проблемы, в том числе и для военной авиации. Многие из этих разработок пригодились и были широко использованы для создания новых систем истребителей, штурмовиков и бомбардировщиков, обладавших повышенной маневренностью, скоростью, надежностью. Превосходные истребители А.С. Яковлева и С.А. Лавочкина, неуязвимые штурмовики С.В. Ильюшина, бомбардировщики В.М. Петлякова.
Большое значение получили теории двух явлений — штопора и шимми (или флаттера), представлявших в ту пору основную опасность для авиаторов. Как правило, самолет, попавший в состояние штопора или шимми (особые вибрации самолета, приводившие к его разрушению) уже не могли из него выйти. Теорию этих явлений создал М. В. Келдыш (впоследствии президент Академии наук СССР, главный теоретик космонавтики). Однако он пошел дальше и на основании теории сделал заключения о том, как устранять эти явления. В результате практика полетов получила надежное средство для борьбы с шимми и штопором и за все время войны практически не было в нашей авиации гибели самолетов и летчиков по этим причинам. Переоценить результаты этих исследовании невозможно, поскольку они помогли не только сохранить жизнь летчиков и самолеты, но и позволили летать на больших скоростях.
Роль математики в военном деле все возрастает. Обратимся к фактам. Математический институт академии наук СССР в 1943 году разработал и вычислил штурманские таблицы. Расчеты всех дальних полетов, выполняемые по этим таблицам, значительно повысили точность самолетовождения. Ни в одной стране мира не было штурманских таблиц, равных этим по своей простоте и оригинальности.
Интенсивная творческая деятельность ученых МГУ в области аэродинамики накануне и в годы войны значительно укрепляли научную основу, на которую опиралось совершенствование нашей авиации. Большую роль в развитии авиации сыграли работы академика Н.Е. Кочина, отдавшего последние годы своей научной деятельности Московскому университету. Значительным вкладом Н.Е. Кочина в победу явились разработка в 1941 – 1944 годах и решение комплекса задач «теории круглого крыла», в которых впервые было дано строгое решение для крыла конечного размаха, что давало возможность точно рассчитывать силы, действующие на крыло самолета во время полета. Н.Е.Кочин академик мехмата МГУ дал практическое решение задачи по теории полетов самолетов на малой высоте.
В апреле 1942г. коллектив математиков под руководством академика С.Н.Бернштейна разработал и вычислил таблицы для определения местонахождения судна по радиопеленгам. Таблицы ускоряли штурманские расчеты примерно в 10 раз. Штаб авиации дальнего действия, давая высокую оценку работе математиков, отметил, что ни в одной стране мира не были известны таблицы, равные этим по своей простоте и оригинальности.
Существенное значение для решения некоторых практических задач имело развитие в Московском университете одного из разделов математики - номографии, изучающей теорию и способы построения особых чертежей-номограмм. Номограммы позволяют значительно экономить время вычислений, максимально упрощают расчеты ряда задач. Работу специального номографического бюро при Научно-исследовательском институте математики МГУ возглавлял известный советский геометр, Н. А. Глаголев. Номограммы, подготовленные в этом бюро, применялись в военно-морском флоте, зенитной артиллерии, оборонявшей советские города от налетов вражеской авиации.
Выдающийся математик Алексей Николаевич Крылов создал таблицу непотопляемости, по которой можно было рассчитать, как повлияет на корабль затопление тех или иных отсеков; какие номера отсеков нужно затопить, чтобы ликвидировать крен, и насколько это затопление может улучшить устойчивость корабля. Использование этих таблиц спасло жизнь многим людям, помогло сберечь огромные материальные ценности. Специальные бригады ученых-математиков занимались только расчетами. Сложнейшие задачи решались лишь с помощью логарифмических линеек и арифмометра.
Работая в области теории вероятностей, наши ученые-математики определили размеры каравана судов и частоту их отправления, при которых потери были бы наименьшими.
В осажденном Ленинграде великий математик Яков Исидорович Перельман прочитал десятки лекций воинам-разведчикам Ленинградского фронта, Балтийского флота и партизанам о способах ориентирования на местности без приборов.
Только во время операций на Курской дуге было израсходовано несколько миллионов патронов для пулеметов и автомобилей и многие миллионы артиллерийских снарядов.
Имеется еще один аспект работы советских математиков на помощь фронту, о котором нельзя умалчивать — это работа по организации производственного процесса, направленная на повышение производительности труда и на улучшение качества продукции. Здесь столкнулись с огромным числом проблем, которые по самому их существу нуждались в математических методах и в усилиях математиков. Затронем здесь лишь одну проблему, получившую наименование контроля качества массовой промышленной продукции и управления качеством в процессе производства. Эта проблема со всей остротой возникла перед промышленностью уже в первые дни войны, поскольку прошла массовая мобилизация и квалифицированные рабочие стали солдатами. Им на смену пришли женщины и подростки без квалификации и рабочего опыта.
Один из математиков вспоминает такой случай: мне пришлось быть на одном из приборостроительных заводов в Свердловске. Он изготовлял крайне необходимые приборы для авиации и артиллерии. У станков я увидел практически только подростков 13 — 15 лет. Увидел и также огромные кучи бракованных деталей. Сопровождавший меня мастер пояснил, что эти детали выходят за пределы допуска и поэтому непригодны для сборки. А вот если бы удилось собрать из этих «запоротых» деталей пригодные приборы, мы бы смогли сразу удовлетворить потребности на месяц вперед. Слова мастера не давали мне покоя. В результате общения с инженерами завода родилась мысль разбить детали на 6 групп по размерам, которые уже было бы возможно сопрягать между собой. В шестую группу входили детали совершенно непригодные для сборки. Исследования показали, что так собранные приборы оказались вполне пригодными для дела. Они обладали одним недостатком: если какая-либо деталь выходила из строя, то ее можно было заменять лишь деталью той же группы, из деталей которой собран прибор. Но в ту пору и для тех целей, для которых были предназначены приборы, можно было обойтись заменой приборов, а не деталей. Нам удалось успешно использовать завалы испорченных подростками деталей.
Столкнулись с основным требованием; по испытанию малой части изделий научиться судить о качестве всей партии. Методы, которые были для этой цели предложены, получили название статистических. Их теория берет свое начало с одной работы 1848 года академика М.В. Остроградского. Позднее этой задачей занимались профессор В. И. Романовский (1879 — 1954) в Ташкенте и его ученики. Во время войны их совершенствованием нанялся А.Н. Колмогоров и его ученики.
После окончания войны выяснилось, что аналогичные исследования проводили математики США, Они подсчитали, что результаты их работы принесли за годы войны стране миллиардную экономию. То же самое можно сказать и о работах советских математиков и инженеров.
Заключение
Результаты изучения литературных источников, анализ и систематизация материалов показали, велик личный вклад признанных учёных и только начинающих математиков, учителей и студентов в победу.
Нельзя забывать и того, что по многим параметрам к концу войны наши танки, самолеты, артиллерийские орудия стали совершеннее тех, которые противопоставлял нам враг. Нельзя забывать, что в конце войны мы вынуждены, были вплотную заняться созданием собственного атомного оружия, а для этого пришлось объединить интеллектуальные усилия физиков, химиков, технологов, математиков, металлургов и самостоятельно пройти тот путь, который уже был пройден США и их западными союзниками. Мы его прошли сами.
Победа в Великой Отечественной войне стала историческим рубежом в судьбах человечества. Героический порыв в годы войны получил продолжение в стремительном послевоенном восстановлении разрушенного хозяйства, развитии науки, выходе в космическое пространство, создании ядерного щита и в конечном итоге — превращении России в могучую сверхдержаву. Во всем этом — величие и историческое значение великих умов!
Список использованной литературы
Гнеденко Б.В. Математика и оборона страны, -М.: 1978
Б.В.Гнеденко Математика и контроль качества продукции М.: Знание, 1984
Левшин Б.В. Советская наука в годы Великой Отечественной Войны -М.:Наука, 1983
Советская военная энциклопедия, том 5. 1978 г.