И. Ф. Усагин занимался исследованиями в области электротехники. Однако у него есть труды и в других областях физики.
Изобретение трансформатора, демонстрированного на Московской промышленно-художественной выставке 1882 г., относится ко времени, когда И. Ф. Усагин работал под руководством профессора Н. А. Любимова. Последующая деятельность И. Ф. Усагина тесно связана с деятельностью выдающегося физика и педагога А. Г. Столетова: в 1882 г. Н. А. Любимов перешел на работу в министерство просвещения и руководителем кафедры физики был назначен А. Г. Столетов.
И. Ф. Усагин работал с А. Г. Столетовым с первых лет работы в университете — в то время А. Г. Столетов заведовал физической лабораторией, а Н. А. Любимов физическим кабинетом. Став руководителем кафедры физики, А. Г. Столетов стал руководить и физическим кабинетом и физической лабораторией. Одновременно он до конца своей жизни читал лекции по экспериментальной физике. На всех его лекциях И. Ф. Усагин бессменно демонстрировал физические опыты.
А. Г. Столетов как педагог добивался четкости и ясности в демонстрации опытов. Каждый опыт он глубоко и всесторонне продумывал и требовал тщательности его выполнения. Он внимательно исследовал не только главные явления, вытекающие из опыта, но и прикладные, «посторонние» явления, действующие на данный опыт. Точность и полнота эксперимента в раскрытии сущности физических явлений были характерны для опытов А. Г. Столетова.
По отзывам современников, лекции А. Г. Столетова были насыщены глубоким и всесторонним теоретическим материалом и отличались определенной системой, богатством языка и ясностью изложения. Он требовал полноты в демонстрации опытов, но не допускал излишних нагромождений в установках.
И. Ф. Усагин воспринял столетовский стиль демонстрации физических опытов и строго соблюдал его в повседневной работе. И. Ф. Усагин работал с А. Г. Столетовым более двадцати лет, около пятнадцати лет был его незаменимым помощником и сотрудником.
А. Г. Столетову принадлежат труды по фотоэффекту, которые поставили А. Г. Столетова в ряд с учеными, имеющими мировую известность. А. Г. Столетову принадлежит заслуга в создании школы физиков.
Работа под руководством знаменитого ученого, талантливого педагога А. Г. Столетова оказала плодотворное влияние на научно-экспериментальную и изобретательскую работу И. Ф. Усагина. К сожалению, не все приборы, изобретенные И. Ф. Усагиным, известны. Но и известные приборы показывают незаурядную научную и изобретательскую работу И. Ф. Усагина.
При Н. А. Любимове И. Ф. Усагин сконструировал ряд физических приборов, ряд приборов усовершенствовал. Известен изготовленный им прибор для демонстрации движения тел в системах с ускорением (демонстрация с падающей рамой). Демонстрация этого опыта на лекциях воспринималась слушателями с восхищением.
В 1885 г. И. Ф. Усагин изготовил электрометр с квадрантами. Годом позднее он построил прибор для определения механического эквивалента теплоты.
И. Ф. Усагин принимал непосредственное участие в исследованиях А. Г. Столетова по фотоэффекту. Приборы для опытов были созданы И. Ф. Усагиным, экспериментальные исследования А. Г. Столетов производил совместно с И. Ф. Усагиным. В статье «Актино-электрические исследования» А. Г. Столетов отметил сотрудничество И. Ф. Усагина в этих исследованиях — изготовление приборов и приспособлений, ценные советы о наибольшей эффективности опытов — и выразил И. Ф. Усагину «вполне заслуженную им благодарность».
И. Ф. Усагин реконструировал ртутный насос для получения вакуума в исследованиях А. Г. Столетова по фотоэффекту. В результате получился насос, который стал работать значительно быстрее и с наименьшим расходом ртути. Кроме того, значительно облегчалась его чистка.
В 1890 г. в «Журнале русского физико-химического общества» была опубликована статья И. Ф. Усагина «Улучшение в ртутном насосе Шпренгеля». В этой статье И. Ф. Усагин, отметив недостатки насоса до усовершенствования, писал, что он «задался мыслью устроить такой насос, который бы выкачивал достаточно быстро и в то же время был бы прост по своей конструкции». «Описанный насос, — продолжает автор, — был постоянно в деле при недавних исследованиях проф. А. Г. Столетова (актино-электрические токи в разреженном воздухе), который остался очень доволен его действием». О преимуществах реконструированного насоса писал и А. Г. Столетов.
Насос Шпренгеля — Усагина применял и П. Н. Лебедев в своих сложнейших и тончайших исследованиях по световому давлению.
И. Ф. Усагин сконструировал электрическую машину типа Вимшерста, усовершенствовал машину Линде устройством специального приспособления, устраняющего закупорки, усовершенствовал молекулярный насос Геде.
Особенно много времени И. Ф. Усагин посвятил исследованиям в области цветной фотографии по методу французского ученого Липпмана. Он провел многочисленные опыты и устроил специальный аппарат для фотографирования солнечных затмений. Ему удалось получить большое количество снимков спектров твердых и газообразных тел. Образцы таких снимков он показал Липпману. Липпман высоко оценил эти снимки и продемонстрировал их Международному конгрессу физиков в Париже. По командировке Московского университета (и по приглашению Липпмана) И. Ф. Усагин и А. В. Цингер участвовали в конгрессе.
В Париже И. Ф. Усагин совместно с Липпманом глубоко разработал методы цветной фотографии. О результатах этого интересного исследования он опубликовал в 1903 г. сообщение «Практические приемы фотографирования по способу Липпмана, применявшиеся для получения снимков спектров твердых и газообразных тел в цветах». В сообщении И. Ф. Усагин писал: «Приступая к работе, я прежде всего пожелал сделать несколько предварительных опытов. Для этого взял имевшийся у меня под рукой обыкновенный (кухонный) желатин для получения мелкозернистой эмульсии, и первый же опыт дал положительный результат: цвета спектра вольтовой дуги получились весьма явственно... Желая поставить опыты в наилучшие условия, обеспечивающие несомненный успех, я приобрел специальный для фотографии желатин Нельсона... и, к немалому огорчению, цветных изображений на этих пластинках я не получил. ... И только когда я опять употребил простой желатин для эмульсии пластинок, то результаты опять стали получаться удовлетворительные». Так была обнаружена непригодность желатина Нельсона для цветной фотографии.
В этой же статье автор дает разработанную им рецептуру для составления эмульсии к подготовке пластинок к экспозиции, подробные советы по ее применению.
