Сэр Барнс Уоллис был гениальным инженером, который разработал особую бомбу во время Второй мировой войны. Идея заключалась в том, что он будет прыгать по воде и разрушать немецкие плотины вдоль Рурской долины, вызывая сильные наводнения и ущерб водоснабжению и гидроэнергетике.
Отчасти благодаря фильму 1955 года «Разрушители плотин» история «Операции наказания», которая состоялась 16 и 17 мая 1943 года, стала знакомой историей военного времени. Но фактические рабочие расчеты Уоллиса были потеряны (возможно, во время наводнения в 1960-х годах). Так что же мы знаем о сложной науке, лежащей в основе прыгающих бомб?
Мы знаем, что немцы считали свои плотины потенциальной целью для своих врагов и размещали торпедные сети перед структурами, чтобы защитить их. И чтобы разрушить плотину, Уоллис понял, что засолить ее большим количеством маленьких бомб не получится. Это было бы различием между тем, чтобы бросать горсть песка в окно, а затем делать то же самое с камнем.
Уоллис полагал, что для нанесения серьезного ущерба взорвалась одиночная четырехтонная бомба прямо у стены плотины на глубине около 30 футов под водой. В те дни точность высотных бомбардировок была недостаточно хороша, чтобы нанести такой удар по цели. Идея перебросить его через воду к плотине, как скимминг-камень, была вдохновлена.
В ранних экспериментах выяснилось несколько вещей. Во-первых, чтобы бомба подпрыгнула, она должна была вращаться - с обратным вращением. Точно так же деликатный бросок в спину в теннисе, который заставляет мяч парить над сеткой.
Уоллис решил, что бомбу с вращением в обратную сторону будет создавать левит с помощью так называемого эффекта Магнуса, противодействующего нисходящему притяжению и гарантирующего, что он мягко ударит о поверхность воды. Если бомба ударит в воду слишком сильно, она взорвется преждевременно, что приведет к повреждению самолета выше, но не повредит плотине.
Таким образом, вращение означало, что бомбы можно было доставлять с управляемой высоты. Полет на 60 футов был уже опасно низким, но без обратного хода бомбардировщики Ланкастера должны были бы лететь еще ниже и быстрее.
В самых ранних экспериментах Уоллиса он работал с мрамором и мячами для гольфа, и было очевидно, что его бомба будет сферической. Но поскольку было легче изготовить цилиндрические бомбы, сферический деревянный корпус был привязан к цилиндрам, чтобы сделать их круглыми.
Однако при увеличении до полного размера корпус на сферических бомбах будет разрушаться при воздействии воды. Не потребовалось много времени, чтобы установить, что сферический кожух не нужен и что голый цилиндр будет подпрыгивать так же эффективно.
Спин доктор
Однако, в отличие от сферы, цилиндры будут подпрыгивать, только если они подпрыгивают прямо. Это вторая веская причина для вращения бомбы, потому что вращение удерживает ось цилиндра в горизонтальном положении, чтобы он попал прямо в воду. Как и для вращающейся планеты Земля, гироскопический эффект вращающегося цилиндра стабилизирует ось вращения.
Уоллис обнаружил еще одно ключевое преимущество спин-спина. Бомба не могла просто врезаться в стену плотины на скорости 240 миль в час, так как она взорвалась бы преждевременно и не нанесла бы существенного ущерба. Поэтому он удостоверился, что бомба приземлилась совсем рядом с плотиной, но поскольку она все еще вращалась, она мягко изогнулась к стене плотины. К тому времени, когда он достиг необходимой глубины, он был прямо напротив плотины, где он мог нанести максимальный ущерб.
Наконец, Уоллис нужно было знать, сколько взрывчатки использовать. Он провел небольшие испытания на моделях, а затем выяснил, как увеличить количество взрывчатого вещества, чтобы справиться с плотиной, высота которой составляет 120 футов, и в идеале должно было бы загрузить его бомбы 40 тонн взрывчатки. В этом случае (он может нести только один самолет) он мог использовать только четыре тонны, так что, кроме темных условий, низкой высоты и огня противника, точность была ключевой.
(Для нашего собственного эксперимента с прыгающей бомбой в 2011 году мы обнаружили, что 50 граммов взрывчатки полностью разрушили бы 4-футовую плотину, поэтому нашей 30-футовой версии понадобилось бы 160 килограммов. Мы использовали 180 килограммов, чтобы быть уверенными ... и это было полностью разрушено. )
После испытаний на воде в Дорсете и Кенте фактический налет произошел в ранние часы 17 мая 1943 года, когда 19 бомбардировщиков «Ланкастер» вылетели из ВВС Скамптон в Линкольншире. После трехчасового полета первый самолет выстроился на плотине Мёне, летя со скоростью 240 миль в час и на этой опасно низкой высоте 60 футов.
Бомба была выпущена примерно в полумиле от плотины, прыгала пять или шесть раз и упала совсем недалеко от стены. На необходимой глубине 30 футов давление воды вызвало взрыв прямо у стены плотины. В целом, пять самолетов должны были сбросить свои бомбы, прежде чем первая плотина была прорвана.
Рейд был опасным, многие люди погибли, и его влияние на ход войны все еще обсуждается. Однако 75 лет спустя мы, безусловно, можем согласиться с тем, что Уоллис по праву помнят как гениального инженера.
Эта статья была первоначально опубликована на разговор.
Хью Хант, читатель инженерной динамики и вибрации, Кембриджский университет
