Что такое апекс

Слово «апекс» слышали, наверное, все любители автоспорта. Его часто употребляют комментаторы, и гонщики, и журналисты: «попасть на апекс поворота», «найти нужный апекс», «промазать апекс»... Этими словами специалисты пытаются охарактеризовать, насколько чисто гонщик прошел поворот, насколько близок при этом был его автомобиль к идеальной траектории. Что же такое апекс?

Инстинктивно все понимают, что такое апекс: это точка, в которой гоночный автомобиль атакует бордюрный камень в повороте. Но на самом деле этот термин далеко не так прост и однозначен. Термин «апекс» происходит от латинского apex - вершина. Из чего понятно, что геометрический апекс - это вершина траектории, т.е. точка ее наибольшего «перелома». Физический смысл апекса состоит в том, что теоретически именно в этой точке скорость движения объекта становится минимальной. Однако в автоспортивной терминологии принято несколько иное определение: апекс - часть траектории, в которой автомобиль ближе всего находится к внутренней кромке поворота или касается ее. Из чего следует, что «автоспортивный» и «классический» апекс в общем случае не одно и то же, и совпадают они далеко не всегда даже при прохождении поворота по так называемой идеальной траектории.
Но что же это за идеал? По какой траектории должен двигаться автомобиль, чтобы пройти поворот как можно быстрее? Рассмотрим несколько вариантов. Можно ехать параллельно средней линии трассы: либо по ее внешней части, либо по внутренней (рис. 1, синяя и фиолетовая линии). Но в первом случае увеличивается дистанция, проходимая машиной в повороте. Во втором случае уменьшается радиус кривизны траектории, и движение по ней требует существенного снижения скорости в повороте. Поэтому ни та, ни другая траектории не являются оптимальными с точки зрения автомобильных гонок.

Чтобы сократить время прохождения поворота, имеет смысл его «срезать», сократив тем самым расстояние, проходимое автомобилем в повороте, заодно уменьшив кривизну линии движения. Такая траектория на входе и на выходе проходит вдоль внешних краев трассы, а в самом повороте касается его внутреннего края. На рисунке 1 она показана красным цветом.
Нетрудно посчитать, что при среднем радиусе поворота 60 метров и ширине полотна 12 метров движение по синей траектории приведет к необходимости проехать около 20 лишних метров, что приведет к потере времени порядка 0,2 с по отношению к красной траектории, не говоря о потере скорости за счет большей кривизны поворота. Движение же по более короткой фиолетовой траектории вызовет уменьшение радиуса кривизны траектории примерно на 20%, в результате средняя скорость движения в повороте упадет со 150 км/ч до 135 км/ч.
Таким образом, характерной особенностью гоночной траектории является наличие на ней точки, в которой происходит касание траектории с внутренним краем поворота, т.е. апекса. Некоторые быстрые повороты, которые проходятся практически без торможения, могут иметь траектории без апексов. Но это, скорее, исключение. Большинство же классических поворотов требуют, чтобы траектория их прохождения имела апекс, а иногда и не один. В длинных, затяжных поворотах роль апекса может играть не точка, а целая дуга, проходящая вдоль внутренней части поворота, - широкий апекс.
Красная траектория на рисунке 1 имеет апекс примерно в середине поворота. В данном случае «автоспортивный» и геометрический апексы совпадают. Но практика показала, что для многих поворотов это положение не является оптимальным. Большое признание получили траектории с так называемым поздним апексом, расположенным ближе к выходу из поворота (желтая линия). При этом вход в поворот получается круче, кривее, зато выход - более пологим. Необходимость интенсивнее тормозить перед поворотом для заруливания на начальную часть траектории компенсируется большей скоростью на выходе из поворота. Строго говоря, точка касания края трассы в этом случае уже не является вершиной траектории, но для удобства в автоспорте ее все равно называют апексом.
Использование несколько отличного от «естественнонаучного» определения имеет прикладной смысл и объясняется тем, что именно положение точки контакта с краем трассы в повороте наиболее наглядным образом определяет форму траектории движения автомобиля в нем. Грубо говоря, на такую точку гонщику гораздо легче «целиться». Таким образом, именно от положения апекса зависят минимальная скорость машины в повороте, скорость выхода из поворота и время его прохождения.

Чтобы лучше проиллюстрировать влияние апекса на характер движения, на рисунке 2 показаны две траектории движения в повороте-«шпильке» с переменным радиусом кривизны. Желтая траектория имеет поздний апекс, точка максимальной кривизны смещена ко входу в поворот. Апекс красной траектории расположен гораздо раньше, в результате вход в поворот по этой линии оказывается куда быстрее, зато на выходе приходится изрядно сбрасывать скорость, чтобы не выехать за пределы трассы. Траектория с поздним апексом является в данном случае предпочтительной, поскольку при практически равной средней скорости машины в самом повороте она позволяет получить лучшую скорость на выходе, ведь интенсивный разгон можно начинать раньше. Преимущество в скорости выхода из поворота будет реализовано на прямой, следующей за поворотом. Красную же траекторию, к примеру, может выбрать гонщик, защищающий свою позицию во время гонки, который стремится не пустить неугомонного соперника на внутреннюю часть трассы.
Но, как это часто бывает в Формуле-1, во всем надо соблюдать меру, и слишком поздний апекс может также негативно отразиться на времени прохождения поворота, ведь пилоту придется тормозить чересчур сильно на входе в поворот, чтобы прочертить крутую начальную часть траектории. А для некоторых поворотов вообще целесообразнее располагать апекс в середине или ближе к началу поворота. Характерный пример: поворот, постепенно распрямляющийся по ходу движения автомобиля.

Таким образом, можно говорить о некотором оптимальном положении апекса, который будет соответствовать наиболее быстрой траектории. В распоряжении команд Формулы-1 есть программное обеспечение, позволяющее определить наилучшие траектории движения автомобилей по трассе и расположение апексов во всех поворотах. Но поскольку критерием истины является практика, дальнейшие изыскания идеальных траекторий гонщики проводят во время тренировок. Для запоминания расположения апексов используются неподвижные зрительные ориентиры. Понятно, что апекс, соответствующий наилучшей траектории, может смещаться при изменении условий окружающей среды или настроек машины. Большую роль играют и личные предпочтения гонщиков.
На рисунке 3 показаны наиболее характерные точки гоночной траектории при движении автомобиля в повороте. При приближении к повороту пилот уходит на внешнюю по отношению к повороту часть трассы и начинает торможение. Кривизна траектории при этом незначительна, сила сцепления колес с дорогой тратится лишь на замедление движения. После окончания интенсивного торможения начинается зона наибольшей кривизны траектории. При проезде этого участка пилот не оказывает активного воздействия на педали «газа» и тормоза, стремясь использовать силу трения колес с трассой именно для поворота. Педалью «газа» иногда лишь несколько корректируется траектория движения машины. Пилот стремится закончить этот кривой участок траектории таким образом, чтобы попасть на выбранный им апекс, играющий роль мишени перед началом разгона. Нацелившись на апекс, автомобиль начинает разгоняться. Однако при этом пилот (или противобуксовочная система) продолжает контролировать усилие на ведущих колесах, стараясь вести машину на грани пробуксовки, избегая при этом сильного заноса, ведь машина все еще находится на искривленной части траектории. Особую опасность может таить в себе высокий внутренний бордюр, при наезде на который машина слегка подпрыгивает и кратковременно теряет сцепление с трассой. Миновав апекс и интенсивно разгоняясь по пологой части траектории, пилот порой движется на грани заноса, а иногда и с легким скольжением колес. При этом особую роль играет баланс автомобиля: важно иметь автомобиль с нейтральной поворачиваемостью, который скользит всеми четырьмя колесами одновременно. Наличие явной недостаточной, а особенно избыточной поворачиваемости изрядно ограничивает удаль пилота при выходе из поворота, ведь машина норовит либо спрямить траекторию, либо развернуться поперек трассы. При идеальном выходе машина выскальзывает на внешнюю часть трассы, касается полосатого бордюра и вновь возвращается четырьмя колесами на асфальт.

Все рассуждения о расположении апекса и идеальной траектории, приведенные до сих пор, относились к ситуации, когда после поворота следует достаточно длинная прямая. Однако на многих трассах встречаются связки из нескольких поворотов. При этом выход из одного поворота оказывается входом в следующий, и для достижения минимального времени прохождения всей связки необходимо учитывать взаимное влияние поворотов друг на друга. Здесь определение положения апексов оказывается куда более интересной задачей.
Связка из двух поворотов (рис. 4) примечательна тем, что, двигаясь по идеальной траектории в первом повороте, пилот теряет слишком много времени во втором и наоборот. Двигаясь по красной траектории, пилот лихо простреливает первый поворот, интенсивно разгоняется на выходе и оказывается на внешней, по отношению к первому повороту, части трассы. Но он не может реализовать преимущество в скорости на выходе, ведь впереди второй поворот. Мало того, по отношению к нему он находится на внутренней части трассы и вынужден тормозить слишком интенсивно, чтобы хоть как-то вписаться в злополучную связку. На следующем круге пилот избирает другую тактику и, двигаясь в первом повороте по траектории, далеко не оптимальной, старается компенсировать потерянное время, эффектно «прошивая» второй поворот и интенсивно разгоняясь по прямой (желтая линия). Такой маневр выглядит более оправданным, ведь скорость на выходе получается большей. Весь вопрос в том, насколько много времени потеряно в первом повороте. Скорее всего, истина находится где-то посредине, и на отыскание нужной траектории следует потратить больше двух кругов. Именно такие связки поворотов и являются наиболее сложными с точки зрения техники пилотажа.

Другим интересным элементом гоночных трасс являются S-образные повороты, или «эски». Служат они в основном для снижения скорости движения автомобилей на особо опасных участках трассы, и, зачастую, отличаются достаточно большой кривизной изгибов и высокими бордюрами. На рисунке 5 показана «врезанная» в прямую «эска» и две возможные траектории ее проезда. Обратите внимание, насколько траектории с апексами плавнее средней линии трассы в этом месте. Красная траектория обеспечивает быстрый выход из «эски». Атака всех бордюров происходит по прямым линиям, что снижает риск потери контроля над машиной, особенно при жесткой настройке подвески. Но эта траектория имеет участок с достаточно большой кривизной (зеленая точка), поэтому движение по ней требует интенсивного торможения перед «эской» и уверенного разгона на выходе из нее. Желтая траектория состоит из плавных дуг, и скорость движения по ней внутри «эски» будет выше. Выход из поворота получается не столь стремительным, зато при этом не происходит жесткой атаки бордюров.
Словом, в погоне за сотыми долями секунд гоночные автомобили выписывают на трассе самые замысловатые кривые. Положение и количество апексов для каждого поворота определяется конфигурацией и шириной трассы, высотой бордюров, особенностями настройки автомобиля, погодными условиями, ситуацией на трассе, качеством дорожного покрытия. Каждый поворот требует индивидуального подхода, и поиск апекса зачастую осуществляется интуитивно, благодаря внутреннему чутью пилота, подкрепленному, конечно, точными расчетами и анализом данных телеметрии.
Сложность заключается и в том, что гоночный автомобиль в повороте никогда не движется прямо по траектории. Вот что по этому поводу говорит Стирлинг Мосс: «В отличие от дорожной машины, гоночный автомобиль в повороте никогда не направлен точно вдоль той линии, по которой он движется. Он всегда чуть скользит, его всегда немного сносит вбок, он постоянно несколько развернут относительно точки, в которую движется. И гонщик должен использовать этот снос для быстрейшего прохождения поворота». Пример такого использования приводил другой ас Ф-1 - Джим Кларк: «Я предпочитаю входить в поворот немного раньше, чем другие гонщики. Большинство заходят в поворот достаточно глубоко, прежде чем повернуть руль. Это позволяет им полностью оттормозиться в процессе прямолинейного движения, как их учили. Но мне больше нравится нырять в поворот достаточно рано, еще в процессе торможения. При этом мой автомобиль направлен как бы мимо правильного апекса. Но я давлю на «газ» и использую боковой снос для того, чтобы выйти на правильный апекс». Подобную, требующую филигранного мастерства технику прохождения поворотов использует и Михаэль Шумахер.
В заключение хочется отметить, что описанная техника прохождения поворотов оправдана только на специально подготовленных трассах. Поэтому не ищите апекс при проезде перекрестка в центре города: скорее всего, он окажется на встречной полосе движения, а атака бордюров окончится поломкой подвески. Гоночные траектории подходят для гоночных трасс.

Артем Краснов