У природы нет плохой погоды

Как известно, все мы в той или иной степени подвержены влиянию погоды. Некоторые плохо реагируют на резкую смену давления, другие не переносят жары, третьи - высокой влажности. Но доводилось ли вам видеть Ferrari, мучимую насморком, или съежившееся на холодном ветру антикрыло Williams? Вряд ли. Между тем автомобили Ф-1 страдают от капризов погоды не меньше, чем люди. Конструкторы, доводя свои творения до предела технического совершенства, делают их все более чувствительными к изменению условий окружающей среды. Поэтому пилотам, механикам и инженерам приходится считаться с прихотями погоды не меньше, чем экипажу старинного парусника.

Двигатель страдает одышкой

Автомобили Формулы-1 приводятся в движение поршневыми двигателями внутреннего сгорания, в недрах которых происходит сжигание топлива, то есть окисление молекул топлива кислородом воздуха. Чем больше кислорода сможет «вдохнуть» двигатель, тем больше топлива можно будет подать в его цилиндры и тем выше будет мощность. При прочих paвных условиях поршневой двигатель за один цикл засасывает вполне определенный объем воздуха. Поэтому мощность двигателя очень сильно зависит от содержания кислорода в единице объема воздуха. Но это содержание меняется при изменении параметров окружающего воздуха. Повышение температуры и уменьшение давления приводят к снижению плотности воздуха, понижая тем самым процентное наполнение цилиндров двигателя кислородом. Увеличение влажности также вызывает снижение доли кислорода в воздухе, ведь двигателю приходится засасывать в себя не только кислород с азотом, но и пары воды.
Представьте себе, что двигателисты некой команды Формулы-1 создали замечательный двигатель, который при испытаниях где-нибудь в Германии выдал максимальную мощность 900 лошадиных сил. Температура воздуха при испытаниях была 20 °С, атмосферное давление 755 мм рт. ст., влажность воздуха 30%. Обрадованные достигнутым успехом инженеры запаковали свое детище в коробку и отправили его в Малайзию для участия в предстоящем Граи При. Команда в Малайзии, не поверив своему счастью (еще бы, 900 л.с.!), решила испытать двигатель сама. Правда, температура воздуха при этом была 50 °С, давление 730 мм рт. ст., влажность 80%. Какое разочарование, мощность двигателя составила лишь… 710 л.с! Ничего удивительного, содержание кислорода в малайзийском воздухе составило лишь 215 г/м3 против 272 г/м3 в немецком (немецкое качество тут ни при чем). Конечно, испытатели двигателей не глупее нас с вами, и они учли потерю мощности двигателя при изменении параметров воздуха: это называется приведением мощности к нормальным условиям. Поэтому вряд ли исчезновение почти двух сотен лошадиных сил привело их в смятение. Однако факт остается фактом: в жарком и влажном климате дышать двигателю гораздо тяжелее, что сказывается на его мощности. Кстати, людям в такой парилке дышится не легче по тем же самым причинам.
Но ведь такая грандиозная потеря мощности должна сказаться на динамике движения машины, например, на ее максимальной скорости. Что же, машины Ф-1 в Малайзии не могут разогнаться даже до 300 км/ч? Не совсем так. Дело в том, что изменение плотности воздуха влияет на аэродинамические силы.
Аэродинамическая сила сопротивления движению автомобиля, которая в основном и определяет его максимальную скорость, изменяется пропорционально плотности воздуха, поэтому в нашем примере, при переезде из Германии в Малайзию, падению мощности двигателя на 21% будет соответствовать 20-процентное уменьшение силы сопротивления. В итоге максимальная скорость автомобиля не претерпит заметных изменений (при одинаковых настройках).
Однако наряду с силой сопротивления при изменении параметров воздуха меняется и прижимная сила, также пропорциональная плотности воздуха. Поэтому при переезде из Германии в Малайзию для получения одинакового уровня прижимной силы необходимо увеличивать углы атаки антикрыльев.

Шины не потеют?

Погода влияет и на работу шин. Особенно сильно на показателях эффективности и долговечности резины сказываются температуры воздуха и асфальта. Дето в том, что для эффективной работы покрышки Ф-1 должны иметь температуру порядка 80-110 °С. Плесните воды на шину автомобиля, только что заехавшего в боксы, и она зашипит, как раскаленный утюг. Нагрев шины происходит за счет ее деформации при качении и действия сил трения при скольжении колес. При этом шина постоянно охлаждается за счет контакта с трассой и с окружающим воздухом.
Изменения температуры как трассы, так и воздуха могут привести к нарушению теплового баланса шины и ее переохлаждению или перегреву. Первое приводит к снижению сцепных свойств резины с трассой, второе - к ее прогрессирующему износу. Конечно, на температуру покрышки влияют и другие факторы, например, давление воздуха внутри шины, так что некоторое изменение погодных условий может быть компенсировано перенастройкой элементов автомобиля. Но для каждого конкретного типа шин существуют температуры воздуха и полотна, которые позволяют использовать шины с максимальной отдачей. Например, чем мягче резина, тем лучше сцепление с трассой, значит, тем больше скорость его движения в поворотах, следовательно, больше и количество теплоты, подводимое к шине. При этом мягкие шины хуже переносят перегрев и гораздо менее долговечны. Поэтому использование такого типа шин требует не слишком жаркого воздуха и умеренно нагретой трассы. Под палящим тропическим солнцем преимущество может получить более жесткая и долговечная резина.
Умелое пользование «погодным фактором» может помочь команде одержать верх над конкурентами. В течение часа квалификационных заездов температура воздуха может измениться на несколько градусов, а температура трассы - на пару десятков градусов. Поэтому выбор времени прохождения быстрейшего круга может либо дать пилоту дополнительное преимущество, либо свести его усилия на нет. Чаще всего по ходу квалификации происходит прогрев асфальта, поэтому многие не спешат покинуть боксы, дожидаясь наиболее оптимальных условий для работы покрышек. С другой стороны, если воздух и трасса перегрелись чрезмерно, это негативно скажется на уровне прижимной силы автомобилей. Учитывая, что машины разных команд отличаются довольно сильно, можно предположить, что для каждой команды существует свое время для удивления публики результатами на быстром круге, однако в любом случае, температура полотна 35 °С предпочтительнее, чем, скажем, 16 °С.
В гонке все автомобили оказываются в одинаковых условиях, и «погодное» преимущество получает тот, кто наиболее правильно выбрал шины и аэродинамические настройки для данных параметров окружающего воздуха.

Ветер, который гуляет сам по себе

На поведение гоночной машины влияют скорость и направление ветра. Причем положение усугубляется тем, что машины постоянно меняют направление своего движения относительно ветра.
Аэродинамические настройки и мощность двигателя по сути дела определяют максимальную скорость движения машины относительно воздуха. Поэтому если в спокойном воздухе автомобиль разгонялся до 320 км/ч, то при встречном ветре скоростью 3 м/с максимальная скорость машины относительно земли уменьшится примерно на 10 км/ч.
Логично предположить, что попутный ветер должен оказывать благотворное действие на максимальную скорость автомобиля. Но это не всегда так. Если трансмиссия машины была настроена на получение максимальной скорости при неподвижном воздухе, то при наличии «ветра в спину» максимальная скорость выше и для ее достижения потребуется раскрутить двигатель до слишком высокой частоты вращения, что может не понравиться электронному ограничителю оборотов. Положение можно исправить, понизив передаточное отношение главной передачи, но тогда упадет максимальная скорость при езде навстречу ветру. Одним словом, если команды и делают такие настройки, то лишь при наличии твердой уверенности, что ветер не изменит интенсивности и направления за время заезда, и если он дует вдоль главной прямой, на которой автомобили разгоняются до максимальной скорости.
Еще хуже действует на машину боковой ветер, который создает силу, стремящуюся вытолкнуть ее за пределы трассы. Величина этой силы может достигать нескольких десятков килограммов. Конечно, стоящий автомобиль ветром не унесет. Но представим, что при приближении к очередному повороту пилот начал интенсивное торможение на грани сцепных возможностей автомобиля. Вот тут дополнительная боковая сила при случайном порыве может оказаться очень некстати и вызвать занос автомобиля.
Помимо всего прочего, отточенная аэродинамика современных машин Формулы-1 очень чувствительна ко всякого рода нерасчетным искажениям воздушного потока, поэтому боковой ветер запросто может лишить инженеров возможности наслаждаться результатами многомесячных экспериментов в аэродинамической трубе.

Что может быть лучше плохой погоды

В одном кубическом метре воздуха при температуре 30 °С может содержаться порядка 30 граммов воды (в виде пара, разумеется). При интенсивном охлаждении влажного воздуха водяной пар начинает конденсироваться, и содержащаяся в воздухе вода выпадает на землю. Это явление называется дождем. Из всех описанных погодных факторов именно дождь влияет на поведение автомобилей Формулы-1 наиболее заметным образом. Еще бы, предельная сила трения шин с дорогой, от которой так сильно зависит скорость на круге, резко снижается. Вода, попадая в пятно контакта шины с дорогой, играет роль смазочного материала. При движении в дождь с достаточно высокой скоростью на «сухой» резине автомобиль может просто-напросто всплыть над трассой на тончайшей водяной пленке. Это явление называется аквапланированием. Автомобиль при этом становится практически неуправляемым. Поэтому инженеры, настраивающие автомобиль на дождевую гонку, всеми силами стремятся исключить возможность возникновения слоя воды в месте контакта колес с дорогой.
Достигается это несколькими средствами. Самое очевидное - это установка дождевой резины. Развитые канавки на протекторах позволяют увеличить давление шины на поверхность трассы за счет снижения площади контакта. Это приводит к выдавливанию воды из пятна контакта и выбрасыванию ее по канавкам в окружающий воздух.
Если в распоряжении инженеров имеется достаточно времени для подготовки автомобиля к дождевому заезду, они меняют аэродинамические настройки и регулировку подвески. Увеличение углов атаки антикрыльев позволяет лучше прижать автомобиль к трассе на больших скоростях, помогая шинам еще эффективнее выдавливать воду из пятен контакта. Конечно, увеличенная аэродинамическая нагрузка снижает максимальную скорость, но и это в условиях мокрой трассы явление положительное, ведь на слишком высоких скоростях очень вероятна потеря контроля над машиной.
Подвеску же целесообразно сделать мягче. Зачем? При настройке подвески инженеры всегда ищут компромисс. Жесткая подвеска хороша при интенсивных торможениях, разгонах, при движении в быстрых поворотах, поскольку при этом уменьшаются крены и «приседания» машины, которые негативно влияют на ее аэродинамику и устойчивость на трассе. Но при наезде на препятствие (бордюр или кочку на трассе) жесткая подвеска передает на шасси большие усилия, иногда столь значительные, что автомобиль подпрыгивает, кратковременно теряя сцепление с трассой. В дождь, когда интенсивность разгонов, торможений и скорость прохождения поворотов снижается, высокая жесткость подвески уже не нужна, зато при атаке мокрых и скользких бордюров мягкая подвеска позволит сохранить контакт шин с трассой, не допустив образования коварной водяной пленки из-за отрыва колес от дороги.
Несмотря на все ухищрения, скорость автомобилей в дождь изрядно снижается. Зато повышается зрелищность гонок, ведь мокрая погода не прощает гонщикам ни малейшей ошибки: наезд колеса на сырую траву; легкий срыв в занос, неосторожная атака скользкого бордюра - все это зачастую приводит к вылету с трассы. И может превратить гонку в лотерею. И если пилоты, глядя на ненастное небо, как правило, лишь озабоченно хмурят брови, то зрители потирают руки в предвкушении непредсказуемой гонки: что может быть лучше плохой погоды!

Артем Краснов