Часть 5А: Функция покрышек Четыре круглых, черных объекта в каждом углу болида Формулы 1 напоминают ноги бегуна или руки и ноги пловца: Сила приходит изнутри, но сталкивается с внешним миром именно здесь. Покрышки играют важную роль по двум причинам - они должны передать мощность двигателя гоночному треку, и должны позволить гонщику легко управлять болидом. Команды играли с передачей управления на все четыре колеса, приводом всех колес, и даже использовали шесть колес, но в общем четыре колеса являются нормой, а ведущими являются задние колеса, а на передние передается управление от руля. Чтобы этого добиться, необходимо иметь сцепление с трассой, а его можно заполучить лишь в той области, которая соприкасается с дорогой - и называется она полем зацепления. В создании сцепления с трассой важна вертикальная нагрузка (нагрузка, двигающая болид по треку). Она представляет собой сумму веса болида, гонщика и топлива, а также аэродинамической прижимной силы. Эта нагрузка воздействует на покрышку, и та, в свою очередь, создает на гоночном треке силу посредством сцепления с неровной поверхностью трассы. Чем больше покрышка прижимается к поверхности трека, тем сильнее сцепление. Чтобы облегчить эту задачу, резина, находясь при рабочей температуре, становится липкой и собирает по дороге камушки и разный мусор, но это также означает, что резина также прилипает к треку. Без сцепления между гоночным треком и покрышкой, болид не сможет ни двинуться с места ни повернуть - можно в этом убедиться, поездив по льду : ни сцепления: ни контроля над машиной. Чем сильнее сцепление, тем эффективнее болид движется на треке, и тем меньше время прохождения круга. Сцепление, или трение, между треком и покрышкой бывает двух форм - упругое и скользящее. Прикладывая малое усилие, все трение будет упругим (липким), и покрышка полностью прижимается к треку. При нарастании усилия на резину из-за, скажем, ускорения, некоторая часть трения переходит в скользящее трение, но пока упругого трения больше, чем скользящего, покрышка будет сохранять сцепление с трассой. Это объясняет то, почему при ускорении болида на треке остаются следы от покрышек: когда слишком большое усилие превосходит сопротивление упругого трения резины, часть покрышки станет проскальзывать, но упругого сцепления пока еще достаточно для того, чтобы двигать болид вперед, и машина оставляет за собой полоски резины. Если усилие становится слишком большим, на первое место выходит скользящее трение, колесо теряет контакт с треком, и болид пробуксовывает - колеса визжат, но вы никуда не едите! Говоря простым языком, колесо, на которое оказывается давление сверху и которое вращается вперед, будет отталкивать назад трассу под собой - попробуйте сделать то же самое, надавливая на банку в фиксированном положении относительно стола, положив ее на лист бумаги, и вращайте ее. Когда колесо соединено с болидом, дорога должна отталкиваться им назад - но поскольку дорога на самом деле неподвижна, а машина нет, то болид будет двигаться вперед. Как я уже объяснял выше, иногда гонщик может ускорить болид до такого предела, когда усилие превосходит сопротивление силы сцепления, и тогда болид пробуксовывает. То же самое можно сказать и о торможении, но в этом случае скорее не трек неподвижен, и колесо ускоряется, а все наоборот. Гонщик пытается замедлить скорость вращения колеса, в то время как трек все еще движется. Если усилие, прикладываемое для торможения, выше, чем допускает сила сцепления, то колесо начинает скользить, резина изнашивается абразивной поверхностью трека - оставляя за собой столбики дыма - и гонщик остается с "лыской". Именно так все и происходит - на обычно круглой покрышке образуется плоская поверхность, и в результате у болида возникнут проблемы, связанные с вибрацией, и проблемы с управлением. Чтобы этого избежать, используются системы вроде регулирования тягового усилия (запрещенные в настоящее время) и анти-блокировка тормозов, электронно регулирующая количество усилия, передаваемого на колесо, что не позволяет резине стираться. Теперь о прохождении поворотов. Когда гонщик поворачивает рулевое колесо, чтобы пройти поворот, ему необходимо сцепление с трассой. Без подобного сцепления повернутая покрышка просто скользнет в том направлении, куда в настоящий момент движется болид, вместо того, чтобы изменить направление движения. Когда рулевое колесо поворачивается, колесо поворачивается либо вправо либо влево. Большая часть колеса поворачивается так, как и ожидалось, но в районе поля зацепления покрышка будет оказывать сопротивление этому движению из-за своего сцепления с трассой - это сопротивление можно почувствовать, когда поворачиваешь рулевое колесо неподвижной машины, не имеющей гидроусилителя руля. Таким образом, поле зацепления указывает в направлении поворота трека, а остальная часть покрышки указывает в том направлении, в каком она сама пожелает двигаться - подобная ситуация возможна в связи с тем, что покрышка упруга и может скручиваться. Следующий момент понять несложно, если вообразить вертикально расположенный прямоугольный ластик. Если вращать его верхнюю часть, а нижнюю при этом удерживать на месте, то это послужит примером того, как гонщик прикладывает усилие при повороте рулевого колеса, и резина, подобно покрышке, будет скручиваться. Теперь, если удерживать верхнюю часть ластика в повернутом положении, а нижнюю отпустить, то ластик постарается выровнять свое положение, подстроившись под положение верхней части. Эта энергия упругости, накапливаемая в покрышках, выходит на поверхность трека и является именно той силой, которая проводит болид сквозь поворот. Когда на болид оказывается слишком сильное боковое усилие, и покрышка с ним уже не справляется, а деформироваться она больше не способна, покрышка начинает скользить по поверхности трека, и болид начинает скользить в сторону внешней стороны поворота. Когда это происходит, еще не все потеряно - но только для хорошего пилота! Покрышка все еще обладает мощной боковой реакцией колес, и гонщик способен усилить ее сцепление с дорогой и остановить скольжение, уменьшив боковую силу путем "обратного замка" (вращением колеса в направлении, противоположном тому, в котором движется болид). Хотя все это весьма зрелищно, этого делать не стоит! Болид должен управляться на пределе сцепления, но не должен выходить за эти пределы. Часть 5Б: Конструкция покрышек Невозможно заново изобрести колесо, но вот покрышку - можно. Например, инженеры из компании Бриджстоун занимаются этим постоянно - обычная, на наш взгляд, покрышка - на самом деле, крайне сложный компонент болида. Не важно, сколько процентов силы сцепления забирают у покрышки те, кто устанавливает правила в гонках (например, конструкторы болидов), ведь инженеры, разрабатывающие конструкцию покрышки, вскоре ставят все на свои места. В разработке конструкции покрышки следует учитывать три фактора - профиль и размер, протектор и состав резины. Как я уже объяснил в предыдущей главе, поле зацепления играет первостепенную роль, и его размер определяет доступную степень сцепления с трассой - чем больше поле зацепления, тем лучше сцепление с треком. Однако, количество полезного сцепления при прохождении поворотов определяется соотношением геометрических размеров покрышки. Оно определяется длиной поля зацепления (при движении вперед), поделенной на его ширину. У знаменитых покрышек без протектора, бывших в употреблении еще несколько лет назад, соотношение геометрических размеров покрышки было низким, поскольку они были чрезвычайно широкими. Покрышка с низким соотношением этих размеров меньше деформируется по сравнению с той, у которой этот показатель выше, и потому меньше нагревается (поскольку некоторая часть энергии, выделяемой при деформации, превращается в нагревание). Это означает, что наибольшее полезное поле зацепления достигается применением широкой покрышки большого диаметра. Однако, с точки зрения аэродинамики болида с открытыми колесами, чем больше покрышка, тем большее лобовое сопротивление она создает. Поэтому любое изменение в профиле покрышке и ее размере требует определенного компромисса между дополнительным механическим сцепление с трассой, и нежелательным эффектом излишнего лобового сопротивления. Подобное наблюдалось в 1997 году, когда Бриджстоун ввела в употребление более широкую переднюю покрышку, при этом увеличилось сцепление с трассой, а уровень лобового сопротивления возрос в допустимых пределах. Выбор рисунка протектора зависит от погодных условий. В Формуле 1 есть "мокрая резина" и есть "резина с канавками". Покрышки без протекторов, которые стали синонимом Формулы 1, уже ушли в небытие! Многие заблуждаются, думая, что для нормального сцепления с трассой покрышка должна быть с протекторами - подобное заблуждение проистекает из выбора покрышек для обычных дорожных машин, которые должны справляться со всеми погодными условиями. На самом деле, в сухую погоду сцепление с трассой происходит именно за счет резинового компаунда, прилипающего к треку, поэтому в протекторе нет необходимости - ведь чем больше площадь соприкосновения резины с треком, тем лучше. Поэтому в употребление вошли покрышки с "канавками". С целью сократить скорость прохождения поворотов посредством уменьшения уровня доступного сцепления с трассой, многие стали настаивать на канавках, которые сократили поле зацепления - сохраняя, таким образом, ширину покрышки и лобовое сопротивление широкой резины, которое сокращает скорость движения болида, тогда как сцепление с трассой продолжает сокращаться. На мокрой трассе использование покрышек без протектора или даже обычной резины с канавками равносильно движению по ледовому катку. Что здесь необходимо, так это определенный протекторный рисунок канавок для того, чтобы вода, находящаяся перед покрышкой, отбрасывалась в сторону при прохождении покрышки поверх водяного слоя. Поэтому у всех дорожных машин так много различных рисунков протекторов. Вода отбрасывается в сторону из-под поля зацепления, предотвращая, таким образом, появление неприятной ситуации аквапланирования. Оно случается, когда на трассе слишком много стоячей воды, и даже мокрая резина с ней не справляется, в результате чего при повороте покрышка скользит, не создавая упругого трения, и болид продолжает ехать прямо. Следующим упомянутым значительным фактором конструкции покрышки является состав резины. Мы слышали о мягких или жестких составах, но что конкретно они из себя представляют, и почему выбор между ними столь важен? Что ж, мягкий состав быстрее изнашивается по сравнению с жестким, но поскольку покрышка более мягкая, она лучше "держит" болид, и ее сцепление с трассой выше. Настоящие правила Формулы 1 требуют, чтобы выбор резины (за исключением того времени, когда идет дождь) состоялся до проведения квалификации в субботу. Когда выбор сделан, только заявленный тип резины может использоваться во время гонки - выбирайте мягкую резину, чтобы показать лучший результат во время квалификации, но если воскресенье будет жарким, в течение всей гонки вы будете то и дело заезжать в боксы! Как только работа над конструкцией покрышки завершена, в ней все еще есть места, которые могут отрицательно сказаться на ее показателях во время гонки. Обычно, степень сцепления с трассой увеличивается при повышении давления внутри покрышки. Однако, большие покрышки Формулы 1 сконструированы таким образом, что они принимают свой оптимальный профиль при определенном уровне давления внутри покрышки, и поэтому существуют некоторые ограничения, так как изменение этого давления может резко изменить гоночные показатели болида. Также, гоночная резина работает при высоких температурах. По мере увеличения температуры воздух расширяется, и важно предсказать, как будет изменяться давление при определенной температуре, чтобы можно было охлаждать покрышку, ведь ее нагревание повлечет за собой расширение воздуха на необходимую величину. Это достигается посредством постоянного мониторинга давления в шинах и их температур, отчасти именно поэтому используются чехлы с подогревом, которые подготавливают покрышки к гоночным температурам. Теперь поговорим об еще одном важном аспекте правильного использования покрышек - температуре. Выполняя свою работу на гоночном треке - а именно в этом главное предназначение покрышки, нагрев резины уравновешивает потери энергии. Покрышка с правильно разработанной конструкцией нагревается до "гоночной температуры", а затем ее температура выравнивается. Находясь ниже этой гоночной температуры, покрышка обеспечит гонщику меньший уровень сцепления с трассой, чем обычно, и это может закончиться неудачным и постыдным вращением на первом круге после выезда из боксов! Работая на более высокой температуре (ближе к предельной, когда покрышка уже прошла множество поворотов, и поэтому постепенно нагревалась), резиновый компаунд постепенно разрушается, и может "пузыриться". Сцепление с трассой будет уменьшаться, так как резина не работает в идеальных условиях, и настает пора "переобувать" болид. Это также проявляется на высыхающем треке у болида, на котором стоит дождевая резина. Используется более твердый состав резины для того, чтобы справиться с более низкой рабочей температурой покрышек на мокром треке, но когда трасса начинает подсыхать, компаунд становится для нее слишком твердым, и резина резко изнашивается - поэтому болиды часто съезжают с наезженной колеи в поисках луж на трассе. Покрышки - всего лишь дополнительный пункт для заботы инженера, следящего за гонкой, и в сухую погоду выбор между жесткой или мягкой резиной - одно из самых сложных и ответственных решений, которое должен принять инженер в день квалификации, ведь от этого может зависеть результат всего гоночного уикенда. Часть 6А: Геометрия подвески Просто присоединить к болиду колеса и покрышки - это одно, но сделать это так, чтобы болид смог обрести хорошие ходовые характеристики - совсем другое. Проезжая по треку, болид испытывает на себе толчки от поверхности трека, и вес перераспределяется соответствующим образом при торможении, ускорении и прохождении поворотов, при этом конструкция подвески (ее геометрия, т.е. углы, под которыми расположены ее взаимозависимые элементы а также их размеры) определяет то, каким образом болид будет реагировать на эти силы. Первый момент, на который стоит обратить внимание в конструкции подвески - это колея болида (расстояние между двумя передними или двумя задними колесами), и его колесная база (расстояние между передними и задними колесами). Длинная колесная база придает болиду стабильность при движении по прямым, при этом перераспределение нагрузки между передними и задними колесами при торможении и ускорении минимально. Чем меньше колесная база, тем более маневренным, но менее устойчивым будет болид. На широком треке боковое перераспределение нагрузки будет меньше (имеется ввиду ее перераспределение с одного края болида на другой), что позволяет использовать более длинные тяги. Если же трек будет узким, вы получите обратный эффект. Многие команды удлинили свои болиды во время сезона 1998 года, когда правила потребовали более узких трасс, и этот процесс затянулся не на шутку. В современном болиде Формулы 1 используется подвеска "Двойная Вилка", в которой две (поэтому и двойная!) v-образных (поэтому вилка!) тяги подвески. Они расположены одна над другой, каждая со своей стороны болида, и хорошо видны на передней подвеске, но незаметны на задней. Эта подвеска независимого типа, что означает следующее: колеса с каждой стороны не связаны между собой, и если одно колесо подскочило от толчка, этот толчок не распространится на другие колеса. Вместо этого нагрузке подвергается шасси, которое само по себе достаточно жесткое, и потому не деформируется. На каждой стороне болида каждая вилка (верхняя и нижняя) прикрепляется к шасси в двух местах (изнутри), вокруг которых они могут вращаться и двигаться вверх и вниз. Расстояние между двумя точками закрепления на каждой вилке определяет область шасси, на которую воздействуют нагрузки, передаваемые колесами. У колеса (с внешней стороны) каждая вилка (верхняя и нижняя) крепится в одном месте - у ступицы. Описанная выше система подвески бесполезна: у нее нет никакого сопротивления движению, и болид просто упадет на поверхность трека и там и останется. Для создания активного сопротивления нам необходимы пружины и демпферы, а чтобы их поставить, нам необходим рычаг подвески - последнее звено, о котором мы до сих пор не сказали. Он соединяет нижнюю вилку с пружиной и демпферной системой, которая обычно устанавливается на шасси, прямо впереди гонщика под корпусом болида. Длина этого рычага определяет начальную высоту посадки - величину, на которую болид возвышается над поверхностью трека - а пружина и демпферная система определяют, с каким размахом подвеска может двигаться под нагрузкой. Этот тип подвески дает возможность использовать сотни различных конструкций подвески, и когда известен трек, на котором предстоит выступать - а это, как известно, решают правила - вам предстоит выбрать длины тяг подвески, точки ее закрепления и углы вилок. Здесь мы будем рассматривать лишь два типа сил, воздействующих на колесо: Толчок и Изгиб. По мере движения по треку, болид испытывает на себе эти силы, внешние точки крепления подвески, (а значит и колеса) двигаются по арке вдоль внутренних точек на шасси, и наоборот. Наиболее важное влияние это оказывает на поле зацепления колеса. Как вы знаете, чтобы добиться от покрышки наибольшего сцепления с треком, поле зацепления должно быть как можно более широким, и давление должно распределяться по нему равномерно. Очевидно, что это достижимо при условии вертикального расположения колеса по отношению к поверхности трека, при этом давление на него должно оказываться лишь строго сверху вниз. Если покрышка отклоняется от вертикали, образуется изгиб, поэтому он заранее закладывается в конструкцию болида, чтобы при прохождении поворота поле зацепления оставалось как можно более широким. При вертикальном движении шасси после толчка вверх изгиб колеса меняется благодаря геометрии подвески, поэтому поле зацепления уменьшается, и вместе с ним сокращается сила зацепления покрышки с трассой. Задача подвески как раз и состоит в том, чтобы максимально сократить изменение этого изгиба при толчке, а этого можно достичь при помощи тщательно продуманной геометрии подвески. Изгиб (например, при входе в поворот) - совсем иное дело. При прохождении поворота все шасси целиком движется под определенным углом по отношению к поверхности трека благодаря центробежной нагрузке. Нагрузка переходит на внешнюю сторону колеса (в сторону от поворота), а верхняя и нижняя точки крепления шасси двигаются вниз и в сторону от центра шасси. Колесо снова становится под определенным углом к треку (только в этом случае отклоняясь в сторону от болида), а на ненагруженной стороне происходит обратный процесс. Однако, изгиб подвески в данном случае будет больше и с ним труднее справиться конструктору. И знаете что....болид наиболее чувствителен к самым негативным влияниям - комбинации толчков и изгибов - в передней части болида при входе в поворот (когда вес переходит вперед при торможении) и в задней части болида на выходе из поворота (когда болид "садится" при ускорении) - то есть именно там, где болиду больше всего необходима устойчивость!. Поэтому требуемая система подвески должна иметь достаточный вертикальный ход, чтобы справиться с толчками и различными нагрузками при движении болида, и при этом должна быть легкой и достаточно жесткой, чтобы справиться с изгибом. Как обычно, нельзя добиться идеального соблюдения всех эти условий, поэтому конструкторам вновь приходится прибегать к искусству компромисса. 6Б: Рессоры и Трубчатые Каркасы Гоночные треки, как правило, представляют собой трассу с ровной поверхностью. Однако, гонщик так никогда не скажет, так как он ощущает каждый крошечный выступ на поверхности трассы, но трек-то в этом не виноват! Инженер хочет, чтобы болид имел хорошую управляемость и высокие гоночные характеристики, а это означает, что комфорт гонщика отходит на задний план. У инженера две заботы. Он должен, во-первых, создать такую подвеску, которая лучше всего реагирует на перераспределение нагрузки. Любое минимальное изменение в высоте посадки болида скажется на аэродинамике, поэтому подвеска должна служить делу сокращения склонности болида клевать носом при торможении, или приседать при ускорении и прохождении поворотов. Во-вторых, ему необходимо обеспечить как можно более широкое поле зацепления с поверхностью трека, а это означает, что гонщик будет чувствовать себя уверенно на треке, даже если ему не обеспечили минимальных удобств! На болид воздействуют определенные силы лишь в трех случаях. Торможение и ускорение вызывают перераспределение нагрузки, которые, в свою очередь, приводят к вертикальному движению подрессоренной массы (болид, гонщик, топливо и т.п.). Центробежное ускорение при прохождении поворотов заставляет подрессоренную массу перетекать на одну из сторон болида, а выступы на поверхности трека заставляют неподрессоренную массу (колеса, ступицы и т.п.) двигаться вертикально. Все это приводит к изменению геометрии болида по отношению к поверхности трека, и, следовательно, поле зацепления уже не справляется со своей задачей. Степень вертикального движения или наклона зависит от степени сопротивления колес этим явлениям, и эта сила сопротивления возникает в рессорах подвески и трубчатых каркасах. Рессоры присоединены к нажимной или натяжной тяге, которые, в свою очередь, присоединяются к нижней вилке подвески таким образом, что при движении подвески вверх или вниз, рессора сжимается или растягивается, и ударная нагрузка не передается напрямую транспортному средству. Однако, в этой системе существует демпфер. Без него при наезде болида на выступ, рессора сжимается, и вся энергия, вызванная действием этой силы, переносится и накапливается в рессоре. Затем она должна каким-то образом найти себе выход, и это происходит в виде растяжения. Рессора после этого продолжает сжиматься и растягиваться до тех пор, пока естественным образом не будет полностью демпфирована, а тем временем болид скачет по трассе как чрезмерно энергичный кролик - естественно, что подобный выход из положения не идеален! Демпфер состоит из цилиндра, наполненного маслом, сквозь который движется поршень, выталкивая жидкость через различные отверстия. Поршень соединен с рессорой, и цилиндр прикрепляется к нижней вилке посредством толкателя. Демпфер берет на себя некоторую часть кинетической (двигательной) энергии, вызванной наездом на выступ, и преобразует ее в термическую энергию масла. Это значит, что в пружине будет накапливаться меньше энергии, и поэтому будет меньше шансов, что болид станет похож на брыкающегося мустанга! Чем больше ускорение (или сила g), вызванное перераспределением нагрузки или выступом на трассе, тем быстрее движется поршень, и, по законам физики, тем больше будет демпфирование. У демпфера движение происходит в два такта - подскок и откат. Подскок сокращает движение неподрессоренной массы, вызванное выступами на трассе, а откат сокращает степень реакции подрессоренной массы на сжатие пружины. Поэтому демпферы системы рессор и подвески выступают в качестве своеобразных фильтров между болидом, колесами и гоночным треком. Рессоры и демпферы передней подвески обычно спрятаны в передней части шасси, и, как правило, расположены сверху шасси, проходя сверху ног гонщика, закрытые съемной панелью. Конфигурация демпфера, как правило, выбирается с учетом конструкции болида, и в необходимое положение его приводит качающийся рычаг. Одной из систем, разработанной и запрещенной в 80-х и 90-х, была активная подвеска - сейчас она вовсю используется в дорожных автомобилях. Система представляет собой электронную замену обычной подвески, описанной выше. В ней используется один датчик, установленный в передней части подвески, и другой на самой вилке, в то время как обычные демпферы заменяются гидравлическими приводами. Передний датчик сообщает компьютеру расстояние, на котором он находится от трека, и, используя эти данные, компьютер, несколькими миллисекундами позже, приводит в движение силовой привод. Таким образом, болид с большой долей вероятности предсказывает расположение выступов на поверхности трека, и поднимает колеса в вертикальном направлении, чтобы избежать соответствующей реакции болида на эти выступы. Система позволяет поддерживать постоянную высоту посадки болида, а, следовательно, улучшается аэродинамика и поле зацепление более полно выполняет свою работу, так как колесо не отрывается от поверхности трека. Все это приводит к улучшению гоночных характеристик болида - как жаль, что ее запретили! Выбор рессор и демпферов занимает много времени, так как необходимо определить жесткость подвески, но свой вклад в управляемость болида вносит также и трубчатый каркас. При прохождении поворотов рессоры практически не сжимаются, поэтому болиды имеют специальные ограничители спереди и сзади. Они ограничивают крен шасси до таких уровней, где подвеска еще способна контролировать геометрию покрышки. Ограничители представляют собой торсионы, установленные на шасси (но которые могут при этом вращаться), и присоединены к колесам в районе ступицы на каждой стороне болида. Если оба колеса одновременно движутся вертикально, ограничители просто вращаются. Если шасси дает крен, торсион в определенной степени препятствует этому (так же, как и рессоры, то есть кинетическая энергия переносится с колес на торсион), и нагрузка переходит с ненагруженного колеса на нагруженное. Торсион позволяет болиду справляться с подобным движением, но лишает подвеску ее независимости. Однако, это предпочтительный компромисс, и он позволяет инженерам избавиться от недостаточной или избыточной реакции болида на поворот руля. Если болид слишком резко реагирует на поворот рулевой колонки, задний торсион можно смягчить, и он будет не так сильно реагировать на нагрузку, а задние колеса будут вырабатывать больше трения, что позволяет частично решить данную проблему. Конструкция подвески - дело, требующее большой точности. Если она слишком мягкая, болид будет слишком сильно подпрыгивать на выступах трассы и плохо проходить повороты, но если инженер перестарается в другом направлении, слишком жесткая подвеска приведет к потере чувствительности болида. Компромисс между мягкостью и жесткостью требует особой точности.