Легкие на разгон

Динамические возможности автомобиля принято характеризовать двумя показателями: временем разгона до определенной скорости с места и максимальной скоростью движения. Всем известно, например, что вазовская «десятка» разгоняется до 100 км/ч за 14 секунд и имеет максимальную скорость 165 км/ч. Каковы же динамические характеристики «формул», и чем они определяются? За динамику разгона автомобиля Формулы-1 отвечают двигатель, трансмиссия, аэродинамические элементы и шины. Давайте посмотрим, каково влияние каждой из этих составляющих на способность «формул» молниеносно ускоряться.

Трансмиссия
Обычно при изучении динамики разгона автомобиля инженеры пользуются специальным графиком — скоростной характеристикой. На первой передаче на колеса передается максимальное усилие, однако скорость движения автомобиля на ней не превышает 125 км/ч. На последней передаче усилие меньше, зато автомобиль может разгоняться до высокой скорости. Форма кривых определяется характеристиками двигателя, а их расположение — передаточными числами коробки передач.
С помощью педали «газа» гонщик может ограничивать мощность двигателя и, соответственно, усилия, передаваемые на колеса. Тогда точка скоростной характеристики автомобиля смещается в область, расположенную ниже соответствующей синей кривой. Представленные кривые являются как бы границами возможностей данного автомобиля на выбранной передаче.
При разгоне «формулы-1″ гонщик (или автоматика) переключает передачи. Как видно из рис. 1, при одной и той же скорости автомобиль может ехать на различных передачах, например, при скорости 100 км/ч на любой из семи. Однако для эффективного разгона выгоднее как можно дольше оставаться на возможно более низкой передаче, поскольку это позволяет удержать обороты двигателя на высоком уровне (частота вращения двигателя автомобиля Формулы-1 во время движения обычно не падает ниже 14 000 об/мин) и, что очень важно, дает возможность подвести к колесам при той же скорости движения большее усилие. После переключения передачи вверх происходит прыжок с соответствующей кривой вниз на соседнюю, при этом усилие, подводимое к ведущим колесам, снижается, а обороты двигателя падают, чтобы потом снова возрасти до максимума (примерно 18 000 об/мин) по мере разгона машины. Затем включается следующая передача и т. д.
Иногда при выходе из поворотов гонщик может включать более высокую передачу, чем требуется для интенсивного разгона, например, на скорости 125 км/ч вместо второй передачи может быть использована четвертая. Это, как видно из рисунка, позволяет снизить усилие на колесах автомобиля и более четко контролировать динамику его разгона.
Для каждой трассы существует свой набор оптимальных передаточных чисел коробки передач, позволяющий пройти круг с минимальным временем. Этот набор предварительно определяется с помощью моделирующих компьютерных программ, а затем уточняется непосредственно на трассе. Например, для испанской трассы в Барселоне, учитывая обилие быстрых поворотов, передаточные отношения высших передач будут сближены с целью улучшения динамики машины на высоких скоростях.

Шины

Подводимое к колесам усилие уравновешивается силой трения колес с трассой, которая возникает в пятне их контакта. Не позволяя колесу проскальзывать относительно дороги, эта сила заставляет автомобиль смещаться вперед. До определенного предела все усилие, подводимое к колесам от двигателя, уравновешивается силой трения. Однако сила эта имеет определенное максимальное значение. Если усилие, подводимое на колеса, превышает максимальную силу трения, они начинают пробуксовывать, при этом избыточная мощность двигателя тратится на нагрев шин и их истирание о дорожное полотно. Отсюда важный вывод: полезное усилие, разгоняющее автомобиль, не может превзойти максимальную силу сцепления колес с дорогой.
Величина максимальной силы трения зависит от многих факторов: материала и конструкции шин автомобиля, вертикальной нагрузки на ведущую ось, состояния дорожной поверхности (в дождь она значительно снижается). При разгоне «формулы-1″ максимальная сила трения повышается, что связано с дополнительным прижатием ведущих колес к дороге за счет аэродинамической силы.
Автомобиль Ф-1 может буксовать вплоть до 4-й передачи и скорости порядка 180 км/ч (до этих пор синии линии выше зеленой). До этой скорости разгон автомобиля определяется не мощностью двигателя или настройками коробки передач, а сцепными свойствами шин. Другими словами, при одинаковых шасси и настройках интенсивность разгона до скорости порядка 180 км/ч автомобиля Ф-1 со слабосильным Asiatech, что стоит на Minardi, и с мощным BMW (Williams) была бы примерно одинаковой.
При слишком «душевном» нажатии на педаль «газа» на скорости, к примеру, 50 км/ч, колеса будут вращаться с такой частотой, как если бы автомобиль мчался на 120 км/ч. При этом мощность порядка 160 л.с. будет тратиться на нагрев и износ шин. Гонщикам (или автоматике противобуксовочной системы) приходится принимать меры по предотвращению пробуксовки, то есть филигранно работать педалью «газа», «придушивая» двигатель, чтобы удерживать ведущие колеса на грани проскальзывания.
В результате до 100 км/ч автомобиль Формулы-1 разгоняется примерно за 3 секунды, что вызывает немалое разочарование, ведь почти такой же динамикой разгона обладают некоторые, пусть и очень мощные, дорожные автомобили, например, McLaren F1. Однако в этом нет ничего удивительного, ведь при низких скоростях, когда аэродинамика «формул» только просыпается от «спячки», эффективность сцепления их колес с дорогой ненамного превосходит этот параметр у дорожных спорткаров. Вот если бы сила трения колес с дорогой была неограниченна, с места до 100 км/ч машины Формулы-1 срывались бы за 1,4 с, а еще через 1,6 с их скорость уже приближалась бы к 200 км/ч!

Двигатель

Здесь уместно вернуться к форме скоростной характеристики двигателя. Максимальная мощность двигателя не является единственным критерием его совершенства. Менее мощный двигатель может позволять гонщику лучше использовать свои возможности в поворотах за счет более выгодной формы скоростной характеристики. Что это значит? Скоростная характеристика любого двигателя является выпуклой вверх кривой, но в формульных двигателях эта выпуклость значительнее, чем в обычных. Усилие, передаваемое на колеса при постоянном положении педали «газа», меняется по мере раскручивания двигателя. Из-за этого при разгоне двигателя со слишком горбатой характеристикой гонщику приходится более «галантно» давить на педаль «газа», чтобы не допустить пробуксовки или заноса. Двигатель с достаточно пологой скоростной характеристикой дает пилоту возможность точнее дозировать усилие на ведущих колесах и двигаться на пределе сцепных возможностей шин автомобиля.
Конечно, после легализации противобуксовочных систем давить на «газ» можно более раскованно: электроника усечет избыточную мощность двигателя и подаст на колеса именно такое усилие, которое будет соответствовать пределу сцепления колес с дорогой (иной раз хватает и половины «выпущенных на свободу» лошадиных сил). При этом разгон будет происходить вплоть до момента, когда усилие, передаваемое на колеса, не окажется меньше предела сцепления. А дальше разгоном автомобиля будут всецело повелевать двигатель и трансмиссия.

Аэродинамика

При движении машины по трассе на нее действует сила сопротивления. В основном эта сила является силой аэродинамического сопротивления движению. До 90% мощности, подводимой к колесам «формулы-1″ при равномерном движении, тратится на взбаламучивание окружающего воздуха. Кстати, автомобили Формулы-1 с точки зрения обтекаемости стоят в одном ряду не с современными дорожными «обмылками», а где-то между мотоциклами с коляской и трамваями. Посмотрите на эти бесстыдно обнаженные колеса и развитые антикрылья: они существенно снижают обтекаемость машины. Аэродинамическая составляющая силы сопротивления зависит от скорости движения автомобиля, степени аэродинамической загрузки антикрыльев, скорости и направления ветра, плотности окружающего воздуха. Помимо этого часть энергии тратится на деформацию шин при качении (во многом зависит от давления в шинах) и на совершение работы против сил тяжести (при движении на подъемах).
Когда сила, подводимая к колесам автомобиля, оказывается больше силы сопротивления, автомобиль разгоняется. Причем интенсивность разгона пропорциональна разности полезной силы на колесах и силы сопротивления (расстоянию по вертикали между голубой и красной кривыми), а также обратно пропорциональна массе автомобиля — закон Ньютона. Когда движущая сила уравновешивается силой сопротивления, машина начинает двигаться с постоянной скоростью. Этим равновесием и определяется максимальная скорость «формулы-1″. Если мы увеличим аэродинамическую загрузку автомобиля, то красная кривая будет взмывать круче, и ее пересечение с голубой линией наступит раньше, следовательно, максимальная скорость уменьшится. Поэтому, при увеличенных углах атаки антикрыльев машины Формулы-1 теряют в максимальной скорости, хотя и получают возможность ехать в поворотах шустрее. Одним словом, максимальная скорость автомобиля определяется преимущественно его обтекаемостью и мощностью двигателя.
Надо заметить, что для каждой степени аэродинамической загрузки существует вполне определенное передаточное отношение высшей передачи, позволяющее развить максимально возможную скорость, то есть реализовать весь потенциал двигателя. Отклонение от этого оптимального значения как в большую, так и в меньшую сторону приведет к снижению максимальной скорости. Поэтому при существенном изменении настроек «формулы-1″ механикам приходится перенастраивать и коробку передач. Обычно это делается путем изменения главной передачи.

«Динамомашина»
Итак, что же получается в результате? Сравним «среднестатистический» автомобиль Формулы-1 и дорожный Ferrari 550 Maranello. Очень, кстати, могучий автомобиль с двигателем, развивающим около 500 л.с., и 6-ступенчатой коробкой передач. Их максимальные скорости примерно одинаковы: сказывается худшая обтекаемость «формулы-1″ по сравнению с грациозным спорткаром. Однако если, для смеха, убрать с автомобиля Формулы-1 все антикрылья, то он без труда разгонится до 400 км/ч.
Что касается динамики разгона, то до 100 км/ч обе машины разгоняются примерно одинаково, хотя «формула» выигрывает более секунды. Сказываются упомянутые выше особенности. Зато посмотрите на разницу в интенсивности ускорения при высоких скоростях! Так, до 300 км/ч «формула» разгоняется за время чуть более 10 секунд, а дорожный Ferrari — за 40! Требуемая для разгона до 300 км/ч дистанция для «формулы-1″ составляет примерно 500 м, а для «гражданского» автомобиля — 2500 м. Почувствуйте разницу. При высоких скоростях, когда эффективно работает аэродинамика «формулы», мощный двигатель и легкое шасси позволяют получать сногсшибательные динамические показатели. Гораздо более тяжелому (1700 кг) и менее мощному дорожному Ferrari противопоставить нечего.
Так что в зачете «Разбег по прямой» спорить с «динамомашиной» Ф-1 могут разве что дрэгстеры. Однако, по признанию самих гонщиков, больше всего в «формуле-1″ поражает не столько разгон, сколько динамика торможения и скорость прохождения поворотов. Но это уже темы для отдельного разговора.

Артем Краснов