Рассказываем о том, как простая физика позволяет улучшить управляемость автомобиля.
С 2019 года по правилам «Ф-1» разница в весе гонщиков нивелируется за счет разного веса сидений. Почему же для лучшего времени выгоднее иметь легкого гонщика, который сбрасывает экстремально много веса перед гонкой?
Детали объясняются в ролике The Fuel Story от канала Chain Bear F1 под названием The Fuel Story – ролик перевели на русский для группы Autosport Merch.
Но если вам удобнее читать, а не смотреть – ниже изложены основные моменты рассказа, раскрывающего влияние центра тяжести и балласта на поведение гоночного автомобиля на трассе. Вы узнаете:
– зачем в болиде нужен балласт;
– как он влияет на управляемость;
– какую роль играют момент и инерция;
– где в болиде центр тяжести.
В гонке каждый килограмм веса требует больше энергии для разгона. Однако существует ограничение минимального веса для обеспечения безопасности конструкции болида.
Сами болиды делают настолько легкими, насколько это возможно, а необходимый минимальный вес набирается с помощью балласта. Этим термином обозначается тяжелый материал, расположенный на шасси автомобиля для обеспечения его устойчивости.
Как же распределение веса влияет на болид «Формулы-1»? Во-первых, это нагрузка на покрышки. Лишь через четыре колеса осуществляется контакт болида с дорогой, и они несут на себе всю нагрузку. Если нагрузить покрышку слишком сильно, она начнет быстрее перегреваться, что приведет к быстрому износу и потере сцепления с дорогой. Если же недогрузить, то получим проскальзывание и блокировки во время торможения. Компания Pirelli конечно же создает покрышки, которые рассчитаны на определенную нагрузку.
Во-вторых, это разгон. Все ускорение болиду придают ведущие задние колеса. Увеличение веса на задней оси (но не чрезмерное) даст больше сцепления на прохождении и выходе из поворотов, а значит и лучшее ускорение.
А что еще произойдет при перемещении баланса вперед или назад? Здесь играют роль две вещи: момент и инерция.
Момент – это поворачивающая сила. Когда мы говорим о моменте, мы имеем ввиду точку разворота и приложение силы на определенном расстоянии от этой точки.
Представьте себе дверь. Если вы приложите силу, то есть будете толкать дверь, в точку рядом с петлями, на которых она висит, то сдвинуть ее будет труднее, чем если приложить такое же усилие ближе к дверной ручке.
Вращающий момент – это сила, умноженная на расстояние от точки разворота до точки приложения сил.
Как видно на этом примере, можно положить груз весом в 1 кг на расстоянии в 2 метра от точки разворота и груз весом в 2 кг на расстоянии в 1 метр, и это приведет систему в состояние равновесия.
Теперь подумайте, что произойдет, если мы положим на край доски груз весом 100 кг на расстоянии 3 метра от точки разворота? Получится система, которую будет очень трудно сдвинуть. Однако, если сдвинуть груз ближе к центру, двигать систему станет гораздо проще. Как видно из этого примера, очень трудно повернуть объект, вес которого расположен далеко от точки разворота.
Если взять молоток за конец ручки и попробовать покачать его, это будет достаточно трудно. А если взять молоток за боек и снова попробовать покачать, сделать это будет гораздо легче, так как основной вес будет находиться рядом с точкой разворота.
В болиде «Формулы-1» из-за его формы точка разворота находится между всех четырех колес, грубо говоря по центру. Это называется центром масс. Если сдвинуть этот центр масс ближе к задней части, то потребуется затратить гораздо больше энергии для поворота, что сделает машину неповоротливой.
Инерция – это сопротивление объекта к изменению его скорости. Набрав скорость, машина будет ехать по заданному направлению до тех пор, пока к ней не приложить какое-либо действие: затормозить, повернуть руль, нажать на педаль акселератора или столкнуться с ограждением. И чем больше масса объекта, тем выше сопротивление к изменению. Двухэтажный автобус труднее остановить, чем движущейся на той же скорости легковой автомобиль.
Если автомобиль с центром масс, смещенным к задней части, едет по прямой, а затем начинает поворачивать направо, то основная масса желает продолжить движение прямо, поэтому передние колеса оказываются внутри поворота, а задние выносятся за его траекторию. Это ведет к заносу и называется избыточной поворачиваемостью.
А если сместить центр масс ближе к передней части, то повернуть такой болид станет очень трудно. Это называется недостаточной поворачиваемостью.
Балласт стараются расположить так низко, насколько это возможно, чтобы и центр масс находился максимально низко. Снова в деле инерция.
Если центр масс будет находиться достаточно высоко, то в момент захода автомобиля в поворот вся его масса будет сопротивляться, а больше всех – его тяжелый вверх, и это наклонит весь болид. Поворот автомобиля вокруг продольной оси называется креном. Чрезмерный крен создает дисбаланс нагрузок на покрышке: колеса, находящиеся внутри поворота, будут недогружены, а находящиеся снаружи – перегружены.
Так что размещение центра масс на минимальной высоте помогает уменьшить крен и сохранить баланс во время поворотов.
С 2019 года новые правила нивелируют преимущество низких пилотов, центр масс которых располагается ниже, чем у высоких гонщиков, так как с учетом ограничения минимального веса балласт необходимо размещать примерно на середине высоты сиденья, где и находится центр тяжести высокого пилота.
