Местность, где расположена бельгийская трасса, известна своей частой непогодой и гонками под дождем. Это происходит, потому что ветра с запада несут влагу с моря, а она упирается в Арденны и выпадает в виде дождя. Гонки в Спа проходят уже очень давно, и обычно с этим как-то справлялись, но в этом году интенсивность осадков была слишком сильной, и гонку толком не провели.
Так в чем же сложность дождевых гонок? Все дело в двух вещах: аквапланирование и видимость. В дождевых условиях сильно снижается сцепление с трассой, но это не самое главное. Гонщики адаптируются, и в таких условиях часто можно видеть более наглядную разницу между лучшими и всеми остальными. Гонщики же боятся аквапланирования, потому что его невозможно контролировать. Для каждой конкретной шины это функция от скорости и величины слоя воды. Ниже определенной скорости шина будет способная убирать воду, а выше нее шина уже будет скользить по поверхности воды, что приведет к полной потери сцепления с трассой. Дизайн канавок на шине вторичен по отношению к этим факторам, потому что именно они определяют аквапланирование.
Видимость является куда более сложным фактором, потому что включает в себя не только шины, но и аэродинамику машин. Как и в случае с аквапланированием, проблема видимости возникает только при использовании резины для сильного дождя. Промежуточная резина по определению имеет дело с меньшим количеством воды и не такими суровыми условиями, о которых беспокоятся гонщики.
Дождевые шины удаляют из-под колес огромное количество воды. На скорости 250 км/ч передняя шина вытесняет 50 000 см3 в секунду, а задняя – 70 000 см3, проезжая по слою воды в 2,5 мм. Чтобы как-то соотнести это с жизненными реалиями, представьте, что в таком случае все четыре колеса способны вытесненной ими водой наполнить 100-литровую ванную за полсекунды.
Когда шина преодолевает воду, в процессе ее отведения задействовано несколько механизмов. Перед шиной часть воды выбрасывается вперед от пятна контакта шины в форме носовой волны. Боковые волны образуются водой, которая вытесняется с боков шины. Боковая волна – это шлейф воды, который сталкивается со стеной воды на краях пятна контакта, которая частично поглощает его энергию, но в то же время меняет его направление, подбрасывая этот шлейф наверх. Стена воды, находящаяся за пределами пятна контакта, в свою очередь получает часть энергии и проходит через такой же процесс.
В результате вода распространяется вокруг по ширине далеко за пределы самой шины. И в носовой, и в боковой волнах изначально капли воды относительно большие, около 3-5 мм в диаметре, но, когда они сталкиваются, то становятся мельче, и в воздухе, над машинами, образуют тот самый спрей. Капли спрея как правило в диаметре меньше 1 мм, и они проще перемещаются под силами воздушного потока от машин.
Еще есть вода, вытесняемая канавками шин назад под углом 30 градусов. Последний вклад в объем спрея в воздухе вносит пленка воды, которая прилипает к шине за счет капиллярного давления, а потом сносится воздушным потоком и попадает в воздух.
Не только шины машин Формулы 1 вносят вклад в образование спрея. На определенной скорости низкое давление, генерируемое под машиной днищем и диффузором, позволяет преодолевать поверхностное натяжение, которое удерживает воду на трассе, подбрасывать ее и направлять назад. Мы понимаем, что огромное количество воды поднимается с поверхности машиной, а потом вся эта вода опускается обратно. К счастью, комбинация бокового ветра и естественного воздушного потока от машин помогает направить часть воды в бок, что позволяет подсыхать гоночной траектории. Но большой объем воды все еще будет находиться сбоку от траектории, и, если на трассе есть уклон, она может стекать обратно.
В Формуле 1 мы проводим фундаментальные исследования формы и путей распространения водяного спрея в дождливую погоду. Это сложная область исследований, так как нужно симулировать, как мы их называем, «мультифазные» потоки, которые включают в себя и воду, и воздух.
Фернандо Алонсо рассказал мне о своем опыте пилотирования в дождь в гонках на выносливость за рулем прототипов LMP1. Он сказал, что там ситуация намного лучше, и я уверен, что, даже не закрывая колеса так, как это сделано в спорткарах, мы можем найти способы улучшить ситуацию с видимостью, которая существует в Формуле 1 сейчас. Наши исследования не дадут быстрого результата, потому что нужно ввести новые методики, но похожие исследования проводятся и в других областях. К примеру, важно, чтобы двигатель самолета при движении по мокрой взлетно-посадочной полосе не всасывал слишком много воды, поэтому инженеры изучают как математические модели, так и проводят практические тесты.
Возможно, новые машины 2022 года с упрощенной аэродинамикой, будут создавать меньше проблем с видимостью, но пока мы не поймем, как воспроизвести сложную физику процессов, сложно что-то утверждать. Но я уверен, что ответ есть и что мы сможем в конце концов сделать Формулу 1 безопаснее в дождевых условиях.
Это перевод статьи Пэта Симондса из журнала GP Racing UK за январь 2022.
Этот блог в соцсетях: