Последующие научные труды Ч. в основном были посвящены исследованию двух классических задач теоретической механики: задаче о движении тела при наличии неинтегрируемых связей и задаче о движении тяжёлого твёрдого тела вокруг неподвижной точки. В работе «О движении тяжелого тела вращения на горизонтальной плоскости» (1897) Ч. впервые вывел общие уравнения движения неголономных систем. Уравнения Ч. представляют собой обобщения уравнений Лагранжа, от которых они отличаются добавочными членами. К той же области относятся работы Ч. «О некотором возможном обобщении теоремы площадей...» (1897), «О катании шара по горизонтальной плоскости» (1903) и др. За исследования по теории движения твёрдого тела в жидкости и по движению тел с неинтегрируемыми связями Ч. получил в 1899 от Петербургской АН почётную золотую медаль.
В конце 19 — начале 20 вв. Ч. начинает заниматься струйными течениями, он выступает с рядом исследований по теории струй в несжимаемой жидкости. В 1902 Ч. представляет в Московском университете докторскую диссертацию «О газовых струях» (см.
В 1910 Ч. выступил с докладом на заседании Московского математического общества, в котором выдвинул положение, позволяющее определить циркуляционное обтекание крылового профиля. Это явилось тем существенным дополнением к теореме Жуковского, которое утвердило её как основной принцип, объясняющий подъёмную силу крыла.
Вопросы аэродинамики стали центром научной деятельности Ч. В 1910 почти одновременно появились работы Ч. «О давлении плоскопараллельного потока на преграждающие тела» и Жуковского «О контурах поддерживающих поверхностей аэропланов», в которых впервые даются способы количественного определения подъёмной силы крыловых профилей. Они окончательно утвердили принципы аэродинамики и легли в основу всего её дальнейшего развития. В своей работе Ч. применил выдвинутый им принцип схода струй с острой кромки крыла к определению течений около ряда конкретных профилей. В ней же содержатся ставшие общеизвестными формулы определения подъёмной силы и момента по характеристической функции течения и впервые даны способы построения течения около Крыловых профилей с острой задней и скруглённой передней кромками; в частности, Ч. ввёл знаменитые профили типа инверсии параболы, которые другим путём были найдены Жуковским и часто носят название «профилей Жуковского».
В 1914 появилась фундаментальная работа Ч. «Теория решетчатого крыла», в которой заложены основы теории обтекания решёток циркуляционным потоком, явившейся базой для расчёта винтов, турбин и других гидравлических машин. Ч. в последующих трудах решил ряд сложных задач аэромеханики и авиации: определение точки приложения подъёмной силы, определение сил при неустановившемся полёте, теория т. н. механизированного крыла, ряд вопросов об устойчивости крыла в полёте и т.д.
Большой вклад внёс Ч. в математику. Его исследования по приближённому интегрированию дифференциальных уравнений (см.
После Октябрьской революции 1917 Ч. активно включился в строительство социалистического государства. С 1918 Ч. участвует в работе Комиссии особых артиллерийских опытов при Главного артиллерийского управлении и в работе Научно-экспериментального института путей сообщения, а в конце 1918 привлекается Жуковским к организации крупнейшего в мире Центрального аэрогидродинамического института (ЦАГИ). В 1921—30 Ч. — председатель коллегии, в 1928—1931 — директор-начальник ЦАГИ. В последующие годы, возглавляя научную жизнь института, руководил созданием крупнейших аэрогидродинамических лабораторий ЦАГИ (1931—41). Одновременно как действительный член АН СССР Ч. принял участие в решении поставленной перед АН задачи приближения науки к запросам строительства социалистического государства.
Ч. — лауреат премии им. Жуковского (1925). Награжден 2 орденами Ленина, 2 другими орденами.