Главная -> Аналитика -> ПОЧЕМУ ВЗЛЕТАЮТ АВТОМОБИЛИ?

ПОЧЕМУ ВЗЛЕТАЮТ АВТОМОБИЛИ?

НЕПОКОРЕННЫЙ ВОЗДУХ

Мы часто сравниваем автомобиль с самолетом или космическим кораблем. Особенно, если речь идет о спортивной машине. И это неудивительно, ведь именно самолет является для многих олицетворением максимального упоения скоростью и свободой. Именно самолет осуществил многовековую мечту человечества об управляемом полете, именно самолет открыл для людей жизнь в новой среде – воздухе. Еще древние люди умели скакать на лошадях, плавать на лодках и нырять, задержав дыхание. Те же автомобили не добавили в нашу жизнь ничего принципиально нового. Они сделали нашу жизнь быстрее и удобнее, но именно самолеты перевернули человеческий быт, связав континенты.

Между тем, для спортивной машины нет ничего опаснее, чем стать самолетом. Оказавшись в небе, машина превращается в неуправляемый летающий объект, способный принести лишь беды своему водителю и окружающим. Именно взлетевший в воздух Mercedes-Benz 300 SLR Пьера Левега унес на тот свет 80 зрителей в Ле-Мане в 1955 году. Та катастрофа и по сей день остается самой страшной в истории гонок. А сколько еще не менее эффектных, но по счастью менее трагичных полетов знавал автоспорт? И не счесть! А ведь взлетают и дорожные машины. Вспомните хотя бы ряд смертельный аварий на немецких автобанах с участием Audi TT первого поколения. Так почему же взлетают автомобили?

ТЕКСТ: Натан Гауган

А почему они не летают?

Чтобы ответить на вынесенный в заголовок вопрос, начнем наше рассуждение от противного. А почему автомобили, развивая высокие скорости, остаются на дороге? Во-первых, все тела на нашей планете удерживаются на ее поверхности благодаря силе тяготения или ее частному случаю – гравитации Земли. В рамках классической механики гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя материальными точками массы m и M, разделенными расстоянием R, пропорциональна обеим массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния — то есть: Здесь G — гравитационная постоянная, равная примерно 6,6725 . 10-11 м?/(кг•с?). Но это общая формула, которая характеризует тяготение всех тел во Вселенной.
В нашем случае можно воспользоваться и более простой формулой, так как сила тяготения равна весу тела. P=mg, где P – это вес тела, m – его масса, а g – ускорение свободного падения, равное, как известно, примерно 9,8 м/с2. Раз g одинаково для всех тел, значит устойчивость каждого тела, в нашем случае автомобиля, зависит от его массы. Чем тяжелее машина, тем она устойчива. Чтобы сделать ее менее устойчивой, надо, следовательно, этот вес уменьшить. Возможно ли это? Не будем забывать, что масса автомобиля, так же, как и ее распределение, динамична. Когда мы говорим о снаряженной или полной массе, о развесовке между осями, то всегда забываем добавить – для тела, находящегося в состоянии покоя. Но это касается исключительно состояния покоя. Как только, автомобиль приходит в движение, все меняется.

Игры с аэродинамикой

Переднеприводные машины стартуют хуже заднеприводных именно потому, что в момент начала движения их масса перераспределяется под действием инерции, нагружая задние колеса и, напротив, разгружая передние. Перераспределяется масса и в повороте, и даже при преодолении неровностей. Но если бы она только перераспределялась, оставаясь неизменной! На скорости на автомобиль начинает действовать подъемная сила, направленная в противоположную сторону силе притяжения. Поэтому с ростом скорости вес автомобиля уменьшается. Не будем забывать, что в отличие от подъемной силы, сила трения колес об асфальт, благодаря которой автомобиль и движется, направлена по касательной. Сила трения прямо пропорциональна массе, а масса с увеличением подъемной силы уменьшается, поэтому рано или поздно наступает момент, когда силы трения уменьшается до такой степени, что колеса срываются в пробуксовку, не в силах больше отталкиваться от дорожного полотна.



Кроме того, именно силу трения мы используем для управления автомобилем. С ее уменьшением, мы теряем над машиной контроль. Те, кто ездили на старых автомобилях, наверняка помнят, каким пустым на скорости становился руль, который на парковочных скоростях нужно было крутить двумя руками. В Англии есть шутка: если Austin Mini разогнать до 300 км/ч, то он взлетит. Так в чем же причина образования подъемной силы?



В соответствии с законом Бернулли, статическое давление среды в тех областях, где скорость потока более высока, будет ниже, и наоборот. Создавшаяся разница давлений и порождает подъемную силу. Именно поэтому крыло самолета или птицы имеет слегка выпуклую форму. Расстояние верхней кромки крыла больше, чем нижней. Соответственно поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше. Таки образом, давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним! Разница давлений направлена вверх, вот вам и подъемная сила.



Эти простые истины известны еще со школьной скамьи, но мало кто задумывался, что поверхность автомобиля сверху длиннее, чем снизу! По сути, любой автомобиль – это гигантское крыло сложной формы. Поэтому на него и действует подъемная сила. От этого никуда не уйдешь. Гораздо опаснее другое: сила, действующая на переднюю и заднюю ось может различаться в разы. Это приводит к тому, что потеря сцепления двух осей с дорогой происходит не одновременно. Например, переднюю ось автомобиля Audi TT первого поколения на скорости в 200 км/ч от дороги отрывала сила в 380 Ньютонов, а заднюю – все 783 Н! В итоге в скоростном повороте или при смене полосы на немецком автобане задние колеса срывало с траектории, а передние продолжали цепляться за асфальт. Итог: занос, удар об ограждение и летальный исход. Скандал поднялся жуткий. Audi даже пришлось отозвать все созданные TT, дабы оснастить автомобили маленьким спойлером, который ухудшал внешность, зато уменьшал подъемную силу в задней части машины.

Самолет наоборот

Больше всего проблем подъемная сила доставляет автоспортсменам. Ведь в повседневной жизни мы редко достигаем по-настоящему высоких скоростей, да и мощности гражданских машин не столь велики. Гонщики же просто живут на грани. Проблема сцепления шин с дорогой, реализация высокой мощности, уверенное поведение на высокой скорости, - для них все это куда важнее. Проблему частично решило появление в конце 1960-х годов антикрыльев. В 1966 году на трассы вышли прототипы Chaparral 2E и 2F, снабженные антикрыльями. Идея была настолько проста, что возникает один вопрос: почему она не была реализована раньше. Если взять обычное крыло самолета и перевернуть, то скорость потока воздуха под крылом будет выше, чем над ним, следовательно, образуется разряжение и сила, направленная вниз. Это и есть спасительная прижимная сила.



Вскоре крыльями обзавелись и машины Формулы-1 и спортпрототипы, и седаны кузовных чемпионатов. Антикрылья становились все более сложной формы, их угол атаки все увеличивался, увеличивая и прижимную силу. Например, аэродинамика спортпрототипа Bentley EXP Speed 8 на скорости 300 км/ч развивает прижимное усилие эквивалентное 2,5 тоннам! Проблема заключается лишь в том, антикрылья резко увеличивают коэффициент аэродинамического сопротивления, а, следовательно, снижают скорость. Именно поэтому инженеры гоночных команд всегда стоят перед выбором, на что сделать ставку: низкая прижимная сила и высокая скорость на прямых или высокая прижимная сила, устойчивость в поворотах, но не такая большая «максималка».



Естественно, определяющую роль в этом играет характер конкретной гоночной трассы. На закрученных улочках Монако угол атаки антикрыльев запредельный, а на скоростных американских овалах он может быть и вовсе отрицательным. Ведь на овале машину прижимает к дороге не столько воздух, сколько угол наклона виража, а крылья нужны скорее для стабилизации потока воздуха и усиления эффекта слипстрима. И тут-то мы и подходим к самым знаменитым полетам в автомобильной истории. Слипстрим (от англь. slipstream – буквально «скользкий поток») – это зона за движущимся объектом, в которой поток газа или жидкости движется со сравнимой с объектом скоростью. При этом скорость газа или жидкости в зоне слипстрима превосходит скорость вокруг этой зоны. Следовательно, создается область низкого давления, которая буквально затягивает в себя находящиеся рядом объекты. Таким образом, автомобиль преследователя, попав в зону слипстрима, резко ускоряется. Именно благодаря этому эффекту гонки на американских овалах столь изобилуют обгонами и плотной борьбой.

А теперь Mercedes-Benz отправляется в полет!

Проблема заключается в том, что воздух в зоне слипстрима разряжен. С одной стороны, это увеличивает скорость, с другой – снижает прижимную силу. То есть пройти поворот на той же скорости, что и впереди идущей автомобиль становится невозможно – возникает недостаточная поворачиваемость. Другим врагом пилота, преследующего соперника в слипстриме, становятся перегибы дороги. Сила инерции разгружает колеса, снижая сцепление, а прижимная сила слишком слаба, чтобы удержать автомобиль на дороге. Не будем забывать, что любой, даже гоночный автомобиль, представляет собой одно большое крыло. В результате, когда передняя часть автомобиля слегка отрывается от земли, набегающий поток воздуха легко подхватывает машину и отправляет ее в полет. Посмотрите на видео знаменитых полетов Mercedes-Benz CLR в Ле-Мане и Porsche GT1 98 на амеркианской трассе Роуд-Атланта.



Автомобиль преследует соперника в слипстриме и на перегибе отправляется в полет. Но почему взлетели только эти две модели? Дело в том, что немецкие инженеры слишком увлеклись снижением коэффициента аэродинамического сопротивления в ущерб прижимной силе, да и амортизаторы передних колес были подобраны слишком мягкие. В результате на перегибах передние колеса слишком сильно разгружались, а прижимная сила стремилась к нулю. Другие прототипы были лишены этих недостатков, хотя тоже ходили на грани.



Следующая серия полетов пришлась уже на 2000-е годы. Проходили они по одному сценарию: занос, боковое скольжение, полет. И здесь все так же объяснялось весьма просто. Вся аэродинамика работает, только когда поток воздуха набегает перпендикулярно антикрыльям. Когда автомобиль скользит боком, то прижимной силы нет, а вот подъемная весьма велика. Посмотрите на полет Стефана Ортелли в Монце во время гонки LMS. Все происходило именно по вышеописанному сценарию.



Для борьбы с полетами FIA обязала всех производителей устанавливать на обтекателе капота огромный плавник, гасящий скорость при боковом скольжении. Не менее опасен и разворот на 180 градусов. Поэтому в американской серии NASCAR на крыше автомобилей при развороте поднимаются мини-спойлеры, генерирующие прижимную силу.

Порядок прежде всего

Итак, любой автомобиль склонен к отрыву от дорожного полотна, просто для этого нужно набрать высокую скорость. Поэтому не стоит разгоняться слишком быстро на машинах, непредназначенных для этого. Не стоит переоценивать свои возможности, ведь чем выше скорость, тем больше подъемная сила, тем больше цена ошибки. Не забывайте и про слипстрим, который существует и на дорогах общего пользования и особенно хорошо чувствуется за грузовиками и автобусами. Устанавливая всевозможные тюнинговые спойлеры и антикрылья, помните, что они гарантированно уменьшат «максималку» и совершенно необязательно увеличат при этом прижимную силу. Аэродинамика не терпит поверхностного к себе отношения. Даже если вы инженеры Audi.
 

РЕЙТИНГ АВТО, ЗА КОТОРЫМИ ОХОТЯТСЯ ...

Поиск тест-драйва


Новости  |  Скидки  |  Тест-драйвы  |  Путешествия  |  Вопрос/Ответ  |  Аналитика  |  История авто  |  О проекте  |  Контакты
© 2017 Автопутешествия MotorJam.ru. Все права защищены.