В 1909 году Гульельмо Маркони и немец Карл Фердинанд Браун (1850-1918) получили Нобелевскую премию по физике за исследования в области «беспроволочной телеграфии». Тесла втянулся в длительную судебную тяжбу с итальянским изобретателем и, в конце концов, проиграл. Только через 30 лет, в 1943 году, Верховный суд США отменил вердикт, вынесенный в пользу Маркони, и признал Теслу пионером в области развития радио: вывод был сделан на основе простого факта, что его соперники использовали в своем изобретении патенты Теслы. Однако сам изобретатель всего несколько месяцев не дожил до этого события. Несмотря на это запоздавшее, но все же официально принятое решение, до сих пор большинство научных трудов, популярных публикаций и учебников приписывают создание радио кому-либо из длинного списка различных изобретателей.

Одним из первых воспоминаний Теслы о детстве была попытка создать вакуумный двигатель, способный на постоянное движение, что в результате вылилось в появление маленького безлопастного насоса. Изобретатель прекрасно помнил, как ему удалось запустить свою модель в небольшой речке около дома. Вдохновение для его последнего изобретения, прототипы которого ему удалось сделать, было основано как раз на том эпизоде из детства.

Примерно в 1906 году Тесла придумал безлопастную турбину, работавшую на воздухе или паре с использованием плоских металлических дисков. Она была способна функционировать с большей скоростью в силу своей пластичности и меньшего трения, а также могла более быстро изменять направление вращения. Тесла оставил в стороне традиционные представления о том, что турбина должна иметь твердый элемент, на который для приведения ее в движение будут воздействовать воздух или пар. Вместо этого он решил использовать две другие характеристики веществ, известные физикам, но не использовавшиеся до того момента для механических устройств, — адгезию и вязкость.

Сердцем турбины Теслы является ротор, состоящий из нескольких очень тонких мельхиоровых дисков, закрепленных на центральной оси. Размер и количество дисков зависели от конкретных обстоятельств применения. Тесла проводил опыты с разными конфигурациями. Для разделения дисков между ними располагались шайбы по 2-3 мм, плотно прижатые и закрепленные с помощью латунных гаек. Также на дисках были отверстия (см. рисунок 1).

Собранный ротор находится внутри статора, стационарной части турбины, представляющей собой цилиндрическую металлическую коробку. Для расположения ротора диаметр внутренней камеры цилиндра должен быть немного больше дисков ротора с зазором около 6 мм. С каждой из сторон статора располагаются подшипники для оси. Статор имел один или два входа, в которых размещались инжекторы. В оригинальной конструкции Теслы их было две штуки — чтобы турбина могла менять направление вращения. Благодаря этой простой схеме расположения, когда инжекторы запускали поток внутрь статора, он проходил между дисками ротора, заставляя их вращаться. Затем поток выходил через спусковое отверстие в центре турбины (см. рисунок 2 на стр. 153).

РИС. 1 Ротор турбины Теслы состоял из нескольких гладких дисков с расстоянием между ними в несколько миллиметров. Поток должен проходить по поверхности дисков, а затем выходить через выпускные отверстия.

Как получалось, что энергия потока заставляла вращаться металлический диск? Если поверхность диска гладкая и на ней нет лопастей и зазубрин, то логика подсказывает нам, что поток будет течь по диску, не приводя его в движение. Объяснение кроется в таких свойствах вещества, как адгезия и вязкость, которые мы упоминали ранее. Адгезия — способность к физическому сцеплению вместе разных молекул в результате действия сил притяжения. Вязкость представляет собой свойство вещества, противоположное текучести, и зависит от трения между молекулами. Эти два свойства комбинируются в турбине Теслы для передачи энергии от потока к ротору.

Когда поток проходит по диску, силы адгезии воздействуют на молекулы, находящиеся в непосредственном контакте с металлом, и уменьшают их скорость из-за прилипания к металлу. Молекулы потока, непосредственно следующие за поверхностным слоем, сталкиваются с прилипшими молекулами и замедляют свое движение. Так слой за слоем поток останавливается. Однако наиболее удаленные слои меньше сталкиваются с другими и меньше подвержены адгезии. Кроме того, одновременно на молекулы воздействуют силы вязкости: они препятствуют отделению молекул друг от друга, возникает сила тяги, которая передается диску, и в результате диск приходит в движение.

В механике тонкий слой жидкости или газа, взаимодействующий с поверхностью диска, называется пограничным слоем, и его свойства описаны в теории пограничного слоя. В результате данного эффекта поток следует по быстро ускоряющейся спиральной траектории по поверхности дисков до тех пор, пока не находит выход. Так как он движется естественным образом по пути наименьшего сопротивления, не встречая никаких ограничений, препятствий, действия сторонних сил от лопастей и зазубрин, то происходит постепенное изменение скорости и направления, это дает больше энергии турбине (см. рисунок 3). В действительности Тесла заверял, что КПД его турбины равен 95 %, то есть значительно превышает потенциал тогдашних турбин. При этом на практике его турбины применить было не так-то просто. Тесле не удалось достигнуть желаемой эффективности турбин.

Его идею даже приняло Министерство обороны США, хотя Тесла удостоился от него лишь благодарности, но не денег. Снова ему требовались инвестиции, и он продал лицензии, чтобы сделать турбину в Европе. Изобретатель верил, что сможет сам найти достаточную сумму для создания турбины в своей стране, но средств все-таки не хватало.

Наконец, ему удалось заинтересовать группу инвесторов и построить прототип: огромную турбину с двойным действием пара на станции Уотерсайд, находящейся под контролем нью-йоркской компании Эдисона. Сразу стало ясно, что с этой турбиной не все в порядке — по всей видимости, из-за использованных в изготовлении материалов. В ту эпоху еще не существовали сплавы, способные выдержать 35000 оборотов в минуту в течение длительного времени; огромная центробежная сила деформировала металл вращающихся дисков.

РИС.2

РИС.З

Но также верно и то, что Тесле никогда не симпатизировали инженеры станции (которые утверждали, будто схема турбины ошибочна), а рабочие не любили его за вынужденные переработки. Таким образом, Тесле не удалось провести требующиеся испытания и усовершенствовать прототип.

Незадолго до начала Первой мировой войны он пытался убедить немецкого министра флота, адмирала Альфреда фон Тирпица (1849-1930), разработать в Германии, обладающей гигантской промышленной мощью, усовершенствованный прототип его турбины. Но его усилия не принесли никаких плодов. Впрочем, это был не самый лучший момент для подобных переговоров.

До 1860 года интерес инженеров к механике жидкостей ограничивался изучением течения воды. Развитие химической промышленности в конце XIX века вызвало интерес к другим жидкостям (более вязким по сравнению с водой и воздухом), которые оказывали большее сопротивление перемещающемуся в них объекту. Кроме того, ученые сконцентрировали внимание на газах. Изучение вязких жидкостей, особенно турбулентных потоков, продвигалось с большим трудом, пока немецкий физик Людвиг Прандтль (1875-1953) не заметил в 1904 году, что многие потоки делятся на две основные части: в ближайшем к поверхности слое (получившем название пограничного) концентрируются эффекты, связанные с вязкостью, а в других зонах данными эффектами можно пренебречь. Понятие пограничного слоя способствовало развитию современных представлений о механике жидкостей, так как упростило математические модели, позволяющие изучать ближайшую к поверхности зону, и привело к обновлению теории невязких жидкостей. Последняя может применяться для зоны, не относящейся к пограничному слою. Теория пограничного слоя в большой степени способствовала развитию концепций крыльев современных самолетов, устройств газовых турбин и компрессоров.