что такое держак в формуле 1
Что такое держак в формуле 1
Межсезонье, оно такое, чем только не займешься в свободное время, чтобы оно было связано с мотоциклами)
Решили попробовать сделать перевод видео, парень с канала Mikael Sedlacek on Motorcycles подробно разобрал вопрос держака на мотоцикле. В первую очередь самим было интересно работать над переводом. Видео ниже, а текстовая версия (где очень много букв) как всегда под катом:
Перевод, от первого лица автора видеоролика
Итак, есть три стороны этой дискуссии: одна сторона утверждает, что от размера пятна контакта очень сильно зависит, как много сцепления у вас есть. Я имею ввиду, чем больше резины на дороге, тем больше сцепления. Вторая сторона выхватывает учебники по физике и говорит: базовое свойство скольжения или кинетического трения определяется тремя эмпирическими законами. Первый закон Амонтона-Кулона: сила трения прямо пропорциональна приложенной нагрузке Второй закон Амонтона-Кулона: сила трения не зависит от площади соприкосновения поверхностей. А это интересно, потому что это означает что площадь пятна контакта не влияет на доступное сцепление. Давайте убедимся, что это так.
Поэтому я разработал простой тест, чтобы проверить, верна ли эта теория. Я привязал ведро к коробке. Внутрь этой коробки я поместил бутылку с водой, чтобы добавить вес. Самое интересное в этой коробке — это то, что у нее есть контактные пятна разного размера. С этой стороны у нее находится малое пятно контакта, а с этой — большое. Если я поставлю эту коробку на малое пятно контакта, привяжу к нему ведро и добавлю немного веса в него — я смогу заставить эту коробку скользить по столу. И согласно этой теории размер пятна контакта не должен иметь значения. Так что, если я положу коробку на бок с более крупным пятном контакта, она должна скользить с той же скоростью, что и до этого — с меньшим пятном контакта. Давайте попробуем это. Теперь, как вы можете видеть, я должен был подтолкнуть эту коробку, потому что статическое трение обеспечивает больший коэффициент трения, чем кинематическое трение. Итак, давайте попробуем большую сторону и посмотрим, скользит коробка или нет. Если она заскользит сейчас, это означает, что размер пятна контакта не имеет значения для силы трения в этом эксперименте. А что же произойдет, если мы добавим больше веса этой коробки? Хмм
Итак, чем больше силы вы приложите к покрышке тем больше сцепления вы получите. Вы можете это увидеть, взяв колесо вроде этого и пытаясь просто скользить вдоль земли. Вы видите, что колесо скользит очень легко, но если надавить на колесо и попытаться опять скользить – вы видите, становится почти невозможно его сдвинуть. Так что да, действительно, сила трения пропорциональна приложенной нагрузке, и в этом эксперименте сила трения не зависела от площади пятна контакта, но теперь инженер выхватывает свою книгу и говорит: «Подождите минуту, ребята, а как же свойство покрышки работать под нагрузкой?
Чувствительность шины к нагрузке
Это описание того, как шина работает под нагрузкой. В частности, это относится к пневматическим шинам, как например, на вашем мотоцикле или автомобиле. Шина под нагрузкой не ведёт себя так, как предлагает классическая теория трения. Разница в следующем: если посмотреть на классическую формулу трения, то это выглядит так:
F=mu*N F — сила трения
mu — коэффициент трения
N – сила реакции опоры
Разница с классической формулой будет в том, что коэффициент трения является переменным и зависит от нагрузки на шину. И он уменьшается при нагрузке на покрышку. Таким образом, максимальная боковая сила, которую можно развить, увеличивается с увеличением вертикальной нагрузки, но она делает это не пропорционально. Нагрузка растет быстрее чем боковая сила, которую она увеличивает, поэтому рано или поздно наступает момент, когда колесо срывает.
По существу, большая площадь пятна контакта испытывает меньше давления, а меньшая площадь – большее давление. Это означает, что под одинаковой нагрузкой у большого пятна контакта коэффициент сцепления снижается меньше, чем у маленького пятна контакта. Другими словами у большого пятна контакта будет лучше сцепление. Если вам нужно больше деталей – смотрите это видео. Итак, если вы просто поставите большую покрышку на ваш байк у вас тут же станет больше сцепления? Нет. Всё не так просто. Давайте посмотрим что произойдёт, если вы поставите одну и ту же покрышку на обода различного размера.
Случай 1 — Шина по размеру обода
Здесь у нас шина, соответствующая колесу по размеру. Мы видим, что боковая часть покрышки немного искажена, профиль шины не изменился. Красной сплошной линией слева выделен приблизительный размер пятна контакта, который мы получили с помощью этой комбинации покрышки и обода.
Случай 2 — Шина шире обода
Поставив ту же шину на обод, который слишком мал для покрышки, мы видим, что и боковая стенка, и профиль искажены. Результатом является небольшое пятно контакта и, следовательно, потенциально непредсказуемое поведение при нагрузке. Что произойдет, если мы поместим ту же шину на обод, который слишком большой для покрышки?
Случай 3 — Обод шире шины
То же самое, но даже хуже — профиль и боковина сильно искажены, а борта покрышки не сядут как следует. Пятно контакта в этой конфигурации становится очень маленьким, и у вас будет байк, который поведет себя очень непредсказуемо.
Почему байки имеют разные размеры и рисунок покрышек? Давайте рассмотрим другие аспекты, влияющие на сцепление.
Давление в шинах
Давление в шинах оказывает большое влияние на сцепление по нескольким причинам. Прежде всего это влияет на то, насколько шина будет сглаживаться при контакте с асфальтом.
Влияние давления шины на профиль резины
Если вы находитесь в допустимом диапазоне давлений, меньшее давление соответствует большему пятну контакта с более высокими температурами и большим износом. А большее давление соответствует меньшему пятну контакта и более низким температурам и меньшему износу.
Слева — шина с давлением ниже рекомендованного, справа — выше
Если вы выйдете из допустимого диапазона давлений и снизите давление в шинах это приведёт к искажению боковых стенок профиля. Которое, как вы знаете, приводит к уменьшению пятна контакта. Вы также можете перегреть шину так, что слишком высокое давление приведёт к очень маленькому пятну контакта.
Состав
Более мягкие составы резины более податливы и нагреваются быстрее, чем твердые составы шины. Таким образом, более мягкие шины обеспечивают лучшее сцепление, но они менее износостойкие. Вот почему многие производители предлагают сложносоставные шины. С мягкой резиной по краям и твердым составом с металлическим кордом в центре. В MotoGP покрышки имеют разные составы на каждой стороне шины, в зависимости от трека. Резина покрышек имеет свойство затвердевать, когда шина просто лежит в гараже. Это означает, что покрышка не будет такой мягкой, какой она должна быть. Вообще спортивные шины для байков хорошо работают в течение двух лет. В то время как туристические шины хорошо работают примерно 3-4 года. Теперь о том, как читать код сбоку от шины. Это означает, что они для дорог, это код завода, это код размера шины, это код бренда, и вот, наконец, это неделя и год производства.
Температура
Я упомянул, что шины могут сильно перегреваться. Что это означает? Когда температура шин повышается, резина становится более мягкой и, следовательно, будет обеспечивать большее сцепление. Но когда шина превышает свой допустимый температурный предел, она может начать отделяться от каркаса. Таким образом, прогретые шины обеспечивают большее сцепление, но только до определенного предела. Холодные шины значительно уменьшают сцепление, потому что они не взаимодействуют с поверхностью дороги.
Размер
Как вы уж знаете, размер боковины и профиль шины влияют на сцепление. Но как на профиль покрышки влияют ширина, и высота профиля?
Высокий профиль будет обеспечивать большее искривление, а также большую деформацию, а низкий — меньшее искривление, но также меньшую деформацию. У задней шины моего YZ250F пропорция 90. В то время как задняя шина на моей Aprilia имеет соотношение сторон 55. Меньше искажений обычно означает больше сцепления. Однако подвеска мотоцикла не работает идеально на больших углах наклона. Поэтому гоночные байки должны допускать некоторый изгиб покрышки на больших углах наклона, чтобы подвеска работала правильно.
Но слишком много искажений дадут меньше сцепления. Это также означает, что слишком большая шина имеет меньше сцепления, поэтому, даже если вы установите большую шину на обод с правильным размером, вы не получите больше сцепления. Профиль шины также влияет на сцепление.
Виды профиля моторезины — круглый и трехгранный
Есть два основных профиля: круглый и трёхгранный. Шина с круглым профилем имеет почти одинаковые пятна контакта на всех возможных углах. В то время как трёхгранный профиль имеет небольшое пятно контакта в середине шины, но имеет более крупное пятно контакта в наклоне. Трёхгранные шины заставляют байк поворачивать быстрее, а круглые шины — медленнее.
Протектор
Протектор наносится на шины для вытеснения пыли и мусора. На сухом и чистом треке могут использоваться слики без рисунка. Но поскольку во время дождя есть капли воды, они должна удаляться. Итак, если мы используем слики, а идет дождь, будет эффект аквапланирования, так как воде некуда деваться. Вот почему дорожные шины имеют резьбовые рисунки, чтобы обеспечить отвод воды и мусора, и таким образом обеспечить сцепление с поверхность дороги. Внедорожные шины, такие как эти, имеют большие шашки, чтобы закапываться в грязь, и существуют различные типы покрышек для разных условий. В сущности, существуют разные рисунки покрышек для различных мотоциклов и разных условий. Чтобы увеличить сцепление, покрышка должна соответствовать мотоциклу и условиям, в которых вы будете ездить.
Подвеска
Задача подвески заключается в том, чтобы держать шины в контакте с дорогой в любое время. Если шина теряет контакт с дорожным покрытием, вы, конечно, потеряете сцепление. Неправильно настроенная подвеска может заставить шину скакать, а в худшем случае может перегрузить шину, в результате чего уменьшится коэффициент сцепления.
Райдер
Последнее, но не по важности. Если райдер работает корпусом на ускорении и торможении, это будет иметь большое влияние на сцепление. Хороший способ подумать об этом — это круговая диаграмма сцепления. Итак, внутри этого пирога есть четыре разных куска: один кусочек для торможения, один предназначен для открытия газа, один для поворота, а один находится в резерве.
Пирог сцепления. Большая часть держака в повороте затрачена на сам поворот, в то время как на ускорение и торможение остались совсем маленькие «дольки»
Поэтому, когда вы поворачиваете, вы используете большую часть пирога только для поворота, что означает, что если вы примените слишком много тормоза или слишком много газа, вам не хватит сцепления. Есть две интересных концепции о прохождении поворотов: первая это трейл-брэйкинг, вторая — постоянное добавление газа. Трейл брейкинг — это когда вы тормозите после входа в поворот. Это полезно по нескольким причинам:
-во-первых, передняя подвеска сжимается, что меняет геометрию байка, и это облегчает руление;
-во-вторых, поскольку мы увеличиваем нагрузку на шину, мы получаем больше сцепления;
-в-третьих, увеличивается площадь пятна контакта передней покрышки;
Однако, как вы уже знаете — сильно деформированная шина будет обеспечивать меньшее пятно контакта, особенно в повороте, и вы можете перегрузить шину. Правильное применение трейл-брейкинга, это когда гонщик плавно отпускает передний тормоз, находясь в наклоне и обеспечивая максимальное сцепление. После плавного отпускания переднего тормоза гонщик должен начать плавно добавлять газ в оставшейся части поворота. Это приведет к перераспределению веса с передней шины на заднюю. А почему вы хотите перенести нагрузку с переднего колеса назад? Потому что у вас ограниченное количество сцепления на обеих шинах, а задняя покрышка имеет большее пятно контакта, чем передняя. Это означает, что она меньше подвержена перегрузке. Таким образом, вам надо загрузить заднюю шину больше, чем переднюю, когда проходите поворот. Кейт Код в своей книге «Twist of the Wrist» объясняет этот момент очень подробно.
Наконец, руление, а также перемещение веса по байку влияют на то, насколько хорошо подвеска и шины способны демпфировать удары на дороге. Если вы слишком сильно держите руль или слишком сильно сдвигаете корпус во время поворота, это может привести к перегрузке подвески, и вы можете потерять сцепление с дорогой.
Я надеюсь, что вы узнали, как работает сцепление покрышек с дорогой. И теперь вы готовы к горячим дебатам с друзьями. Теперь я приглашаю вас бросить мне вызов по всем концепциям, которые я обсудил сегодня. Сделайте это, пожалуйста, комментируя ниже. Если вам нравится это видео, пожалуйста, ставьте лайк и поделитесь им в социальных сетях, что является лучшим способом поддержать этот канал. Спасибо, ребята, за то, что смотрите и как всегда: Увидимся в следующий раз!
Прижимная сила не только удерживает болиды «Формулы-1» в поворотах. Еще и улучшает работу шин
Технический эксперт в деталях объяснил, как это работает.
Болиды «Формулы-1» чрезвычайно быстры — скорость на прямых часто пробивает отметку в 350 км/ч, а иногда превышает даже 370 км/ч.
Кому принадлежит рекорд скорости в «Формуле-1»
В поворотах машины, конечно, немного сбрасывают, но все равно едут с чудовищными цифрами на спидометрах: вираж на скорости 100-120 км/ч считается «медленным», а с показателями в 160-180 км/ч – «среднескоростным»! Есть и быстрые повороты, в которых скорость достигает 250 км/ч, а иногда и пробивает отметку в 300 км/ч.
Как же техника удерживается на треке и не улетает в кювет или барьеры?
Прежде всего машинам помогает механическое сцепление, гарантируемое эффективным взаимодействием между шасси, подвеской и шинами: колеса равномерно прижимаются к асфальту, теплая резина «зацепляет» покрытие и позволяет болиду поворачивать при большей скорости, а не соскальзывать. При износе покрышек уровень взаимодействия между поверхностью колеса и дорогой снижается, но грамотно настроенная подвеска и работа с газом могут оптимизировать потерю сцепления.
Казалось бы, при чем тут прижимная сила? Да, она «прижимает» (как следует из названия) болид к треку и тоже не дает ему соскользнуть, но из-за квадратичной зависимости от скорости наибольшую эффективность она демонстрирует при показателях свыше 200 км/ч. Ниже этого числа прижимная сила уже не так хороша, ведь при снижении скорости втрое она падает сразу в девять раз и теряет ключевое значение.
«Феррари» уничтожают в поворотах. Но, кажется, проблема не в недостатке прижимной силы
Тем не менее, именно благодаря ей шины прогреваются до нужных температур, и она же влияет на механическое сцепление хоть и косвенно, но намного сильнее, чем кажется со стороны. Именно об этом и рассказал технический директор «Формулы-1» Роб Смедли в шоу Уилла Бакстона Tech Talk на F1 TV.
«Прижимная сила генерирует внутреннюю температуру шины. Температура поверхности меняется довольно просто: едешь по кругу, и когда тормозишь — она взлетает. Где-то то 140 градусов по Цельсию. Когда начинаешь разгоняться на апексе, задние шины активнее проворачиваются и становятся еще горячее. В общем, температура поверхности часто меняется — от 60 градусов в конце прямой до 160 градусов на выходе из поворота.
Тем не менее, эта не та температура, которая нас интересует. Показатели внутри покрышек, внутри резины намного важнее. Как же ее получают?
Если мы взглянем на поверхность асфальта под микроскопом, то увидим что оно принимает вот такую форму.
Та самая «микрошероховатость» из отчетов «Пирелли».
Если машина очень легкая — не по весу, а в смысле прижимной силы – то она «сидит» сверху этих выемок.
Машина с большим количеством прижимной силы вдавливает резину в эти выемки.
Что это дает? В некотором смысле механическое сцепление. Это механический процесс износа, связанный с сохранением энергии. Когда шина деформируется подобным образом, в ней создается и накапливается энергия, которая выражается в виде тепла после проворота колеса. Именно это тепло и нагревает резину внутри шины — и покрышка производит больше сцепления.
Когда вы видите машины на стартовой решетке, то можете заметить: все пытаются нагреть и поддержать температуры в передних шинах, а задние только охлаждают. Все ставят огромные тормозные воздуховоды, чтобы воздушный поток передавал тепло с дисков на колесный обод, который, в свою очередь, нагревает газ внутри покрышек. Это тоже один из способов поднять внутреннюю температуру резины».
Сергей Сироткин: Анатомия машины Ф1: Подвеска
Формула 1 – технический вид спорта, где многое происходит за кадром. Но даже в тех случаях, когда элементы или системы машины видны невооружённым взглядом, понять принципы их работы без специальной подготовки порой непросто.
Мы попросили рассказать об этом резервного пилота Renault F1 и пилота программы SMP Racing Сергея Сироткина. В первом материале речь шла об аэродинамике машин Формулы 1, о том, как заставить её работать максимально эффективно. Теперь речь пойдёт о механических настройках – в частности, о подвеске.
Когда мы уверены, что аэродинамические элементы правильно подобраны и оптимизированы между собой, мы переходим к механическим настройкам. Проблема в том, что механические настройки, нужные для эффективной работы аэродинамики и для эффективной работы подвески, почти противоположны, что серьёзно осложняет жизнь инженерам, хотя степень этой сложности зависит от конкретной трассы.
Чтобы достичь максимальной аэродинамической эффективности машины, мы хотим, чтобы шасси сохраняло как можно более стабильное положение над трассой во время любых переменных нагрузок – на торможении, в быстрых поворотах и т.д. Если говорить более конкретно, мы хотим, чтобы машина постоянно сохраняла заданный нами и максимально аэродинамический эффективный рейк, клиренс спереди и сзади. В том числе в повороте клиренс машины должен оставаться одинаковым как под загруженной, так и под разгруженной стороной.
По сути, это значит, что подвеска должна быть полностью неподвижной, чтобы статические настройки машины не менялись под нагрузкой. Но в действительности такая «деревянная» подвеска будет эффективна только на идеально ровной трассе, а таких не существует. На остальных любая неровность будет подбрасывать машину, нарушать клиренс – и приводить к потере эффективности шасси. Кроме того, излишние колебания на кочках негативно влияют на пятно контакта, так что механическое сцепление с трассой тоже ухудшается.
Поэтому конструкторы при создании, а инженеры – при настройке подвески вынуждены искать компромисс, позволяющий шасси как можно дольше находиться в оптимальном положении относительно поверхности. Этот компромисс достигается при помощи правильного выбора настроек подвески, которая должна оказаться достаточно мягкой для сглаживания неровностей, но достаточно жёсткой для сохранения заданного клиренса.
Для максимизации механического сцепления с трассой мы, по сути, нуждаемся сразу в нескольких и в чём-то противоположных вещах. Первое и самое важное – работа с резиной. Именно шины связывают машину с асфальтом, дают нам так называемый «держак», и то, как машина передаёт нагрузку на резину – ключевой момент как для максимизации сцепления с трассой, так и для уменьшения износа резины. При этом используется разный подход при выборе настроек для квалификации и для гонки.
В квалификации потенциал новой резины надо использовать максимально, нужно передать ей достаточную нагрузку, то есть шасси должно быть достаточно жёстким, для чего выбираются соответствующие пружины, амортизаторы и стабилизаторы, а настройки делают агрессивными, для чего мы выставляем соответствующие значения сход/развал/кастер. На гоночной дистанции, наоборот, шасси должно поглощать часть энергии, чтобы она не передавалась резине. Это негативно отражается на максимальном уровне сцепления, но позволяет гораздо дольше сохранять резину в рабочем состоянии.
Всё это хорошо работает только в случае, если пятно контакта шин подобрано оптимально. Жёсткость шасси тут тоже важна, так как боковые крены машины напрямую влияют на пятно контакта. Оптимальное пятно контакта достигается правильным соотношением параметров сход/развал/кастер, но и тут нужно искать компромисс с оптимальными настройками для этой конкретной трассы с точки зрения передачи энергии на резину.
Далее, в зависимости от типа нагрузок, нам нужно принять решение, в каком сечении, продольном или поперечном, пятно контакта должно оказаться наиболее эффективным. Если трасса требовательна к торможениям и хорошему сцеплению на выходе из поворотов, то пятно контакта должно быть максимальным при продольных нагрузках. Если же на трассе много длинных скоростных поворотов, где велики боковые ускорения, то пятно контакта лучше ориентировать на поперечное сечение, лучше работающее при высоких боковых перегрузках.
Как уже говорилось, добиться оптимального пятна контакта под различными нагрузками нам помогают настройки подвески сход/развал/кастер. Со сходом и развалом, думаю, более или менее понятно, а что такое «кастер»? Если посмотреть на машину в профиль, то это отклонение, наклон подвески (как правило, передней) относительно вертикальной оси. Другими словами, то, насколько подвеска завалена назад (положительный кастер) или вперёд (отрицательный кастер) относительно вертикали.
Именно кастер (или кастор, оба варианта равнозначны), вместе со сходом/развалом, и определяют пятно контакта резины в разных условиях и при разном угле поворота колеса. Если немного упростить, то чем больше кастер, тем больше при повороте руля оба передних колеса наклоняются внутрь поворота.
Кастер, как и сход-развал, есть на многих транспортных средствах, как автомобилях, так и мотоциклах, но на обычных машинах он, как правило, невелик – от 0 до 4%. На машинах Формулы 1 кастер гораздо больше – в районе 9-12%. Почему же на гоночных машинах используют столь большие значения кастера? Давайте разберёмся подробнее.
При создании или настройке гоночной машины наша задача – сделать так, чтобы пятно контакта передних колёс было всегда максимальным. Для этого мы выставляем некий развал колёс в расчёте на оптимальную работу шины в середине поворота. Но этот угол будет обеспечивать максимальное пятно контакта только при повороте колёс на определенный угол, а во время, например, торможения с прямым или почти прямым рулём, окажется избыточным, и пятно контакта будет слишком маленьким, а значит, замедление пройдёт неэффективно.
Вот тут на помощь нам и приходит кастер. Мы уменьшаем статическое значение развала, что даёт нам большее пятно контакта в тот момент, когда руль повёрнут прямо, и увеличиваем значение кастера, что компенсирует нехватку угла развала при повороте руля.
И не просто компенсирует, а работает даже эффективнее, потому что при увеличении развала в повороте у нас внешнее колесо будет сильнее наклонено внутрь поворота, а внутреннее, наоборот, наружу, что значительно уменьшает его пятно контакта. Кастер увеличивает наклон обоих передних колес внутрь поворота, то есть увеличивает пятно контакта как на внешнем, так и на внутреннем колесе, при этом снижая излишнее трение при прямолинейном движении.
В целом при настройке демпфирующих элементов задача инженеров стоит так: добиться максимально стабильного положения автомобиля над трассой, с максимально стабильным клиренсом, одновременно как можно лучше отрабатывая неровности и нагружая резину ровно настолько, насколько это необходимо, не больше и не меньше. Если эта задача будет выполнена, гонщик получит возможность полностью использовать потенциал шасси.
Но и это ещё не всё. Кроме всех вышеперечисленных настроек, машина должна оставаться механически и аэродинамически сбалансированной. То есть, иметь нейтральную поворачиваемость в как можно большем числе поворотов на трассе – а они, как правило, требуют от машины совершенно разных характеристик. Чтобы добиться этого, инженерам снова приходится искать компромисс.