Инженер Андреа Квинтарелли, сотрудничающий со многими командами в ЛМП2 и других категориях, представляет нам отличную возможность ознакомиться с азами гоночной физики. Я вкратце перескажу его заметки и это поможет как зрителям так и возможным участникам гоночных баталий гораздо лучше разобраться в вопросе о шинах и их влиянии на гоночную эффективность.
Начнем с того, что шина, несмотря на свою простоту формы, является одной из сложнейших систем, и принципы ее работы, как бы это ни казалось удивительным, до сих пор изучены не до конца.
В пятне контакта передаются силы, благодаря которым машина разгоняется, поворачивает и тормозит. Если шина работает недостаточно эффективно, невозможно реализовать потенциал двигателя или аэродинамики.
Шины – как упругий элемент подвески
Конструкция шины, если не вдаваться в подробности, довольно проста – это тор, открытый с внутренней стороны и сформированный из резины, усиленной металлическими волокнами. Однако именно детали размещения этих волокон и, в особенности, химический состав резины определяют, насколько хороша та или иная шина.
Воздух внутри шины вместе с самой шиной обеспечивают функцию колеса – передачу внешних нагрузок. Разница в реакции той или иной шины зависит от жесткости. Жесткость – нагрузка, требуемая для «проседания» шины на 1 мм.
Если учитывать только вертикальные нагрузки, получается, что шина работает, как пружина, жесткость которой зависит от конструкции (постоянный фактор) и давления воздуха внутри (переменный фактор). Чем выше давление в шине, тем она «жестче». Нужно тут же заметить, что зависимость жесткости от давления вовсе не линейная.
Вертикальная жесткость шины – одна из определяющих величин, влияющих на то, как «угол» машины (одно колесо с подвеской) реагирует на воздействие со стороны дороги и меняет дорожный просвет под нагрузкой.
Пятно контакта
Жесткость шины влияет на форму пятна контакта, площадь соприкосновения протектора и дороги, площадь, через которую передаются все нагрузки. Форма пятна контакта постоянно изменяется под действием внешних сил.
Повышенное давление внутри шины ведет к уменьшению пятна контакта и чрезмерному износу центральной части протектора. Слишком низкое давление также ухудшает ситуацию, изнашиваются края протектора.
Для гоночной физики важна форма пятна контакта, зависящая от вертикальной жесткости. Зависимость проявляется не только в статическом состоянии, но и в движении. Да и ответная реакция пятна контакта на изменение угла развала зависит от вертикальной жесткости.
На вертикальную жесткость «завязан» еще один интересный параметр: зависимость характеристик шины от скорости вращения. Так как силы инерции действуют на протектор, при вращении диаметр шины несколько увеличивается, сам протектор деформируется, а пятно контакта вытягивается, теряя часть площади.
Это влияние особенно заметно для ЛМП, где аэродинамические нагрузки очень высоки. Для ГТ изменения не так наглядны, но не будем забывать, что аэродинамическая нагрузка растет пропорционально квадрату скорости.
Зависимость между изменением диаметра шины и скоростью зависит от конструкции и материалов, из которых изготовлена шина. При этом нужно заметить, что для спортивных машин уровень прижимной аэродинамической силы настолько велик, что вертикальная нагрузка на шины выше, чем сила, развиваемая центробежными силами. Порой из-за этой аэродинамической нагрузки площадь пятна контакта возрастает. Но это справедливо только для машин с большим уровнем аэродинамической прижимной силы.
Сила сопротивления качению
Сила сопротивления качению для гражданских машин весьма важна, так как она влияет на экономичность машины. Для гоночных машин уровень силы сопротивления качению слишком мал по сравнению с аэродинамическими силами сопротивления. Впрочем, на высоких скоростях и эта сила напоминает о себе особенно у машин с высоким уровнем прижимной силы. Если кратко, то нелинейная зависимость объясняется тем, что во время качения колеса внутри материала протектора происходит потеря энергии на постоянные деформации и с ростом скорости ход этих деформаций меняется.
Из-за пластичности протектора распределение давлений в пятне контакта вовсе не равномерно. Основная нагрузка приходится на переднюю кромку пятна контакта, которая находится немного впереди центра колеса. Все это приводит к некоторому тормозящему моменту (Mт), что также объясняет особое изменение величины сопротивления с возрастанием скорости.
Более жесткие шины обладают меньшим уровнем силы сопротивления качению, да и ее рост при наборе скорости в этом случае должен быть менее заметным.
