Балансируя на грани

Все гонщики, впервые садящиеся за руль автомобиля Формулы-1, прежде всего выражают восхищение эффективностью работы его тормозов. Однако мало иметь в своем распоряжении систему, способную в мгновение ока рассеять сотни киловатт. Нужно еще уметь реализовать ее потенциал. И озабоченное выражение лиц гонщиков и инженеров зачастую связано именно со сложностями настройки тормозного баланса автомобиля.

На пределе сил
Все восхищаются тормозами. Но они лишь замедляют вращение колес, а на самом деле автомобиль тормозят шины. Именно тормозные характеристики этих «скромных героев», по большому счету, и обуславливают динамику снижения скорости автомобиля. Но у этих характеристик есть предел. Именно поэтому так важно грамотно распорядиться имеющимися возможностями.
Торможение любой машины обеспечивают два вида сил: сопротивление воздуха и трение между колесами автомобиля и дорогой. Причем силы сопротивления воздуха, учитывая обилие «навесных» аэродинамических элементов на автомобиле Ф-1, оказываются достаточно большими и при скорости 320 км/ч могут достигать величины 500-550 кгс. Однако главную роль при торможении все-таки играет сила трения. Одна из ее составляющих - трение качения - относительно мала, хоть и присутствует при нормальном движении машины постоянно. Другая - появляется лишь после нажатия на педаль тормоза, когда в дело вступает сила сцепления резины с асфальтом, или точнее - сила трения покоя.

До определенного момента нажатие гонщиком на педаль тормоза повышает интенсивность торможения, но, как только пилот подводит на колесо тормозной момент больший, чем может создать сила трения, оно просто-напросто блокируется и начинает скользить по дороге, а эффективность торможения даже несколько снижается, поскольку сила трения скольжения меньше силы трения покоя. При этом начнется истирание замершей шины, причем стираться будет лишь место контакта колеса с дорогой. Шина теряет круглую форму, что приводит к возникновению вибрации, нагружающей детали подвески.
Величина максимальной силы трения покоя определяется формулой F = kN, где N - нормальная реакция опоры, т. е. составляющая силы давления по направлению, перпендикулярному поверхности соприкосновения тел, а k - коэффициент, зависящий от сцепных свойств материалов. Как видим, в прямом виде в этой формуле нет ни площади соприкосновения, ни скорости движения. Все зависит лишь от качества резины и асфальта, да от силы, с которой колесо давит на дорогу. Правильное распределение последней между парами передних и задних колес и называется поиском баланса автомобиля.
У машин Формулы-1, в отличие от дорожных собратьев, предельные силы трения гораздо выше: в режиме наиболее жесткого торможения максимальная сила трения передних колес автомобиля с дорогой может достигать 900 кгс, в то время как у в два раза более тяжелой, а значит - сильнее давящей своим весом на дорогу Ferrari Modena эта величина составляет примерно 500 кгс. Дело в аэродинамической прижимной силе, достигающей на больших скоростях величин 1200 кгс. Благодаря этому автомобиль Формулы-1, уступая со своими несерьезными 600 кг по массе крохотному Volkswagen Lupo, впивается в дорожное полотно не хуже солидного Mercedes Е класса. Не забывайте и о второй составляющей формулы трения покоя - о безликом коэффициенте k. Специальный состав и конструкция формульных шин обеспечивают коэффициент трения в полтора раза больший, чем у обычных авто. Так что сама по себе установка на дорожный суперкар формульных тормозов вряд ли позволит его счастливому обладателю насладиться перегрузками в несколько g - динамика торможения останется на прежнем уровне, хотя пустить в глаза окружающих углеродную пыль удастся.
Для наглядности на рисунке 1 приведены зависимости изменения скорости от времени при торможении автомобиля Формулы-1 и Ferrari 360 Modena со скорости 300 км/ч. У спорткара этот процесс длится в два раза дольше и требует более чем в два с половиной раза большей дистанции (270 м против 106 м). Обратите внимание и на то, что интенсивность замедления дорожной машины практически не зависит от скорости - линия на графике почти прямая. Автомобиль же Ф-1 эффективнее тормозит на большой скорости. Так, первые 100 км/ч гасятся за время порядка 0,7 с, последние же - почти за 1,5 с. Объясняется это зависимостью аэродинамических сил (как горизонтальных, так и вертикальных), а значит и предельных сил трения, от скорости. Из этого вытекает важная особенность: для удержания автомобиля Формулы-1 на грани блокировки колес в течение всего торможения пилоту приходится менять давление на педаль тормоза, выдавая на колеса тормозные усилия, не превышающие тающих предельных сил трения. Нетрудно понять, что блокировки колес наиболее вероятны на малых скоростях, когда допустимые тормозные усилия минимальны, и пилоту, искушаемому мощью углеродных тормозов, ничего не стоит переоценить возможности своего транспортного средства.

Ускользающее равновесие

Именно преждевременная блокировка колес при торможении и делает поиск тормозного баланса столь болезненным для специалистов Формулы-1 вопросом. На передних и задних колесах машин в процессе торможения возникают неравные тормозные усилия.
Их соотношение называется тормозным балансом. Неодинаковое «усердие» передних и задних тормозов объясняется различными предельными силами трения передних и задних колес машины. Несмотря на то, что в состоянии покоя большая часть веса приходится на заднюю ось, тормозной баланс обычно близок к соотношению 60%/40%, поскольку передние колеса цепляются за дорожное полотно лучше задних. Это объясняется тем, что при интенсивном замедлении машина как бы наваливается на передние колеса, перенося на них часть своей массы. Это явление можно заметить, понаблюдав за резко тормозящей дорожной машиной, «клюющей» при этом носом. Велосипеды, например, вообще могут переворачиваться через переднее колесо, если «пилот» бесшабашно пользуется передним тормозом. В Формуле-1 ситуация не столь драматична: из-за значительной жесткости подвесок заметить припадание на передние колеса практически невозможно, но около 300 кг массы при максимально резвом замедлении может «перекочевать» с задней оси на переднюю.
Эффект перераспределения масс между передними и задними колесами во время торможения уменьшается при увеличении базы, снижении центра тяжести и уменьшении массы автомобиля. Последние два фактора меняются в ходе длительного заезда из-за расходования топлива. Добавив к этому неравномерный износ передних и задних шин, приходим к выводу, что распределение предельных сил трения между передней и задней осью меняется по ходу гонки. Чтобы компенсировать это изменение и достичь максимально эффективного замедления, пилот или инженеры из боксов могут регулировать тормозной баланс машины. Сложность заключается в том, что существенное изменение распределения вертикальных нагрузок на передние и задние колеса автомобиля происходит не только по ходу гонки, но и непосредственно в процессе торможения. Поэтому для каждого момента, по сути дела, существует свой оптимальный тормозной баланс, при котором пилоту удавалось бы удерживать на грани блокировки и передние, и задние колеса одновременно и достигать максимальной эффективности гашения скорости. Но системы автоматического изменения тормозного баланса запрещены, а для изменения его «вручную» в течение 1 - 2-секундного торможения требуется немыслимая реакция и точность движений. В результате при замедлении одна из пар колес всегда тормозит не в полную силу, дабы второй паре не пришлось чертить на асфальте зловещие черные полосы. В начале торможения передние колеса «подхалтуривают», к концу же они становятся «слабым звеном», норовя заблокироваться. А поскольку блокировки колес более вероятны именно на низких скоростях в конце торможения, то чаще приходится видеть характерный дымок именно из-под передних колес. Равновесие, которое гонщики нащупывают здесь, весьма и весьма скользкое.

Спустить проблему на тормозах

До сих пор речь шла о торможении при движении по прямой. Ситуация усложняется, когда одновременно с замедлением приходится поворачивать. При этом происходит перераспределение вертикальных нагрузок не только между передними и задними колесами, но также между левыми и правыми. Кроме того, в такой ситуации силы сцепления колес с дорогой вынуждены не только тормозить автомобиль, но и противостоять центробежной силе инерции, действующей на машину.
На рисунке 2 показано колесо с силами трения, действующими в пятне его контакта с трассой. Суммарная сила трения (красная) раскладывается на две составляющие. Продольная (зеленая) отвечает за торможение автомобиля, поперечная (желтая) противостоит центробежной силе инерции, т.е. заставляет его поворачивать. Синий круг показывает предельную силу трения покоя между колесом и трассой. Допустим, что в данное мгновение ее величина составляет 700 кгс. В изображенной на рисунке ситуации действующая сила трения равна предельной, то есть колесо находится на грани блокировки. Предположим, что автомобиль движется по дуге радиусом 50 м со скоростью 125 км/ч. Тогда центробежная сила инерции, приходящаяся на одно колесо, составляет примерно 400 кг. Несложно посчитать, что максимальная тормозная сила, которая может возникнуть на колесе без его блокировки, составит лишь 574 кг, а не 700 кг, как в случае торможения на прямой. С другой стороны, если при прохождении поворота не тормозить вовсе, то сила инерции достигает величины, превышающей предельную силу трения покоя шины в поперечном направлении и автомобиль просто сорвет с трассы. Именно этим объясняется, почему вообще нужно тормозить в повороте. Причем тормозить весьма аккуратно, поскольку составляющая предельной силы трения, работающая непосредственно на замедление, уменьшается, а блокировка шины в повороте грозит гораздо более серьезными неприятностями, чем порча резины.
При блокировке в вираже колесо перестает держать «направление» - оно уже не может противостоять воздействию центробежной силы (или любой другой боковой силы), и начинается снос автомобиля с траектории в направлении действия суммарного вектора сил. Если заблокированным оказывается переднее колесо, возникает недостаточная поворачиваемость - автомобиль норовит проехать по дуге большего радиуса, чем пилоту хотелось бы. Такая ситуация часто возникает при торможениях с большой скорости перед медленными поворотами. Блокировка заднего колеса приводит к «забрасыванию» задка автомобиля и, если пилот не успевает адекватно отреагировать на занос, то и к развороту машины. Возникновение такой неприятности вероятно при торможении в быстрых пологих поворотах, ведь центробежные силы норовят в первую очередь сбить с пути истинного именно задний мост автомобиля.
Таким образом, мощные тормоза автомобилей Ф-1 являются необходимым, но недостаточным условием эффективного гашения скорости. Упорство, с которым инженеры занимаются поисками тормозного баланса, сравнимо с религиозным фанатизмом. Но даже при удачном решении этого вопроса пилотам приходится нещадно эксплуатировать свой «гоночный гений», удерживая автомобиль на грани его возможностей. И далеко не всегда эту проблему им удается «спустить на тормозах».

Артем Краснов
Рисунки автора