В 1886 году Жуковский был избран экстраординарным профессором по кафедре механики Московского университета. В 1887 году получил кафедру механики в МВТУ. Работы по гидромеханике принесли ему премию имени Н. Д. Брашмана, – математика, в кружке которого он занимался в Московском университете.
В 1886 году Жуковский создал первый полный курс гидродинамики. Для соответствующих лекций он сам строил массу моделей. Когда в том же году его привлекли к работам по постройке нового московского водопровода, он и из этого извлек много полезного. «Эти опыты дали интересные результаты, – писал он, – которые, насколько мне известно, до сих пор не указаны в технической литературе; оказалось, что все явления при гидравлическом ударе объясняются возникновением и распространением в трубах ударной волны, происходящей от сжатия воды и от расширения стенок трубы. Инженеры, которые занимались этой задачей, не обратили внимания на то, что при весьма быстром закрытии задвижки вода останавливается, и давление повышается только при задвижке, и это состояние воды передается по трубе по закону распространения волнообразного движения».
Формулы, выведенные Жуковским, до сих пор являются основными при расчетах подобного рода. Эти же исследования позволили Жуковскому создать теорию гидравлического тарана, сразу сделавшую его имя известным.
В Московском университете и в МВТУ под руководством Жуковского были организованы специальные лаборатории, в которых велись исследования в области механики. Здесь испытывались различные модели летательных аппаратов и воздушных змеев. Из подобных опытов вышла первая теоретическая работа Жуковского, напрямую связанная с вопросами управляемого воздухоплавания: «Некоторые теоретические соображения о летательных приборах».
В 1890 году вышла известная работа Жуковского «К теории летания».
В этой работе он кропотливо анализировал проблему динамики полета птиц. Планирующий полет птицы, считал он, можно приближенно толковать как движение пластинки под постоянным углом атаки. Составив соответствующие уравнения движения центра тяжести птицы, Жуковский нашел реальные криволинейные траектории при различных условиях движения воздуха, – так называемые фугоиды. Кстати, среди них он указал и знаменитую «мертвую петлю», впервые выполненную в 1913 году знаменитым русским летчиком П. Н. Нестеровым.
Принципиальное значение имела работа Жуковского «О парадоксе Дюбуа».
До появления этой работы ученые долго не могли объяснить, почему сопротивление неподвижного тела в движущейся жидкости всегда больше, чем сопротивление от движения самого тела в покоящейся жидкости. Жуковский показал, что причина парадокса Дюбуа заключается в том, что при движении жидкости покоящееся тело испытывает сопротивление со стороны потока, уже возмущенного трением жидкости о стенки сосуда, то есть от так называемого завихренного потока, в случае же движения самого тела покоящаяся жидкость не имеет вихрей, а потому ее сопротивление меньше.
В 1876 году Жуковского избрали действительным членом Московского математического общества, в 1879 году – действительным членом Московского общества испытателей природы, в 1881 году – действительным членом Общества любителей естествознания, антропологии и этнографии, а в 1894 году – членом-корреспондентом Петербургской Академии наук.
В 1900 году Жуковский был выдвинут в действительные члены Академии наук, но сам снял с голосования свою кандидатуру. По условиям того времени избрание в академики требовало обязательного переезда в Петербург, а Жуковский не хотел оставлять Московский университет и МВТУ, где получил к тому времени прекрасные условия для работы.
В 1902 году по инициативе Жуковского при механическом кабинете Московского университета была построена одна из самых первых в мире аэродинамических труб – квадратного сечения с закрытой рабочей частью и длиной 7 м. Скорость воздуха в трубе могла меняться от 1,5 до 11 м в секунду. Специальное приспособление помогало усилить эту скорость почти вдвое.
В 1904 году в поселке Кучино под Москвой воздухоплавательный кружок ВМТУ под непосредственным руководством Жуковского организовал специальную аэродинамическую лабораторию.
Весной 1909 году в самом Московском университете была построена аэродинамическая труба – круглая, имевшая в длину более десяти метров.
«…Приближается то время, – писал Жуковский, – когда направляемая твердым опытом теоретическая мысль сделается хозяином в решении вопросов о сопротивлении жидкостей, когда аэропланы и дирижабли будут строиться с таким же верным расчетом, с каким теперь строятся пароходы и автомобили. Я думаю, что проблема авиации и сопротивления воздуха, несмотря на блестящие достигнутые успехи в ее разрешении, заключает в себе еще много неизведанного, и что счастлива та страна, которая имеет средства для открытия этого неизведанного».
В работе «О присоединенных вихрях», доложенной 15 ноября 1905 года на заседании Московского математического общества, Жуковский впервые дал формулу определения подъемной силы (так называемая теорема Жуковского), которая до сих пор является основой аэродинамических расчетов. В том же году он организовал воздухоплавательную секцию в Московском обществе любителей естествознания, антропологии и этнографии.
В 1910 году Жуковский прочел в МВТУ курс лекций «Теоретические основы воздухоплавания», в которых систематизировал теоретические изыскания и экспериментальные исследования аэродинамических лабораторий Московского университета и МВТУ, а также заграничных лабораторий. В работах «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов» и «Определение давления плоскопараллельного потока жидкости на контур, который в пределе переходит в отрезок прямой» он дал точный расчет действующей на воздушное крыло подъемной силы и указал ряд теоретических профилей, которые в его честь получили название «профилей НЕЖ», а также «рулей НЕЖ». Для этих же типов крыльев он получил простые формулы, по которым легко подсчитать подъемную силу и определить положения центра давления.
В течение многих лет Жуковский занимался подготовкой авиационных кадров – пилотов и конструкторов самолетов. С 1913 года он преподавал на специальных курсах боевых офицеров-летчиков. В течение всей Первой мировой войны Жуковский и его ученики читали лекции на курсах летчиков-добровольцев, организованных военным ведомством при МВТУ. Там же, при училище, было создано специальное авиационное расчетно-испытательное бюро, в котором разрабатывались новые методы аэродинамического расчета самолетных конструкций. Опираясь на собственные разработки, Жуковский опубликовал серию работ, в которых дал теорию работы воздушных винтов – пропеллеров, названных в его честь «винтами НЕЖ». На основе разработанной Жуковским вихревой теории проектируются винты современных самолетов. В речи «О воздухоплавании», произнесенной в 1908 году, ученый уверенно предсказал: «Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов в семьдесят два раза слабее птицы. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума».
После революции Жуковский и его ученики без раздумий включились в дело строительства авиации. Уже в декабре 1918 года специальным декретом правительства был учрежден Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ), руководителем которого назначили Жуковского. Он организовал в ЦАГИ теоретические курсы для военных летчиков, реорганизованные позже в Московский авиационный техникум. На базе техникума в 1920 году был создан Институт инженеров красного воздушного флота, а в 1922 году – Военно-воздушная инженерная академия (ныне им. Н. Е. Жуковского). Исследования Жуковского по аэродинамике в авиации стали источником основных идей, на которых строится современная авиационная наука. Хотя сам Жуковский никогда в жизни не поднимался в воздух на самолете, авиация обязана ему почти всем.
Будучи прекрасным педагогом, самые трудные вопросы теории Жуковский старался излагать как можно проще и нагляднее.
«Если могут быть споры о самостоятельной роли геометрии при решении недоступных до сих пор задач динамики, – говорил он, – то ее высокое значение в преподавании механики не подлежит сомнению: ум изучающих весьма часто склонен к формальному пониманию. Я из своего педагогического опыта знаю, как часто запоминаются формулы без усвоения стоящих за ними образов. В этом отношении геометрическое толкование, предпочтение геометрического доказательства аналитическому, всегда приносит пользу. Раз усвоенные геометрические образы, рисующие картину рассматриваемого явления, надолго западают в голову и живут в воображении изучающего».
В декабре 1918 года Жуковский организовал в Экспериментальном институте путей сообщения аэродинамический отдел, в котором велись исследования сопротивления воздуха движению поездов и автомобилей. Он наметил обширный план работ, но, к сожалению, в феврале 1920 года Жуковский заболел воспалением легких.
