Формула 1

Пара тонкостей прогрева

Перед Гран-при Нидерландов дождь сделал ровно то, что дождь любит делать, чтобы потрепать нервы инженерам: прекратился в самый неудобный момент. К чему это привело – в нашем разборе с душнотой.

К старту большая часть «Зандворта» уже достаточно подсохла для сликов - на них выехали все 22 машины, - но некоторые участки оставались мокрыми. Перед процедурой старта дирекция даже отправила на разведку медицинскую машину. Та доложила о стоячей воде во втором и третьем поворотах, причём третий - профилированный «Гугенгольц». Поэтому ФИА решила провести установочный круг за автомобилем безопасности. Так дирекция сохраняла обе возможности: если воды окажется слишком много, то можно дать старт с хода, если состояние трассы позволит - поставить машины обратно на решётку. В итоге выбрали обычный старт с места.

Логика вполне понятна. Вот только после гонки выяснилось, что некоторые гонщики предпочли бы обойтись без такой заботы.

Пьер Гасли считал, что следовало выбрать что-нибудь одно: либо нормальный установочный круг, на котором можно ехать быстрее и работать с шинами, либо уже движение за автомобилем безопасности, но тогда дать пелотону ещё один круг. Лиам Лоусон сформулировал ещё проще: проводить единственный установочный круг за автомобилем безопасности, а затем всё равно устраивать старт с места ему показалось бессмысленным.

Причина спрятана в одном очень распространённом заблуждении. Проехать ещё четыре километра и прогреть шины - совершенно не одно и то же. Шина греется не оттого, что асфальт трассы прокрутился под машиной еще раз. Механическую энергию надо каким-то образом превратить в тепло.

При торможении и разгоне в пятне контакта появляется продольное проскальзывание. В повороте - поперечное. Каркас, боковины и протектор при каждом обороте нагружаются, деформируются и восстанавливают форму, причём из-за вязкоупругих свойств резины часть затраченной энергии уже не возвращается автомобилю, а остаётся внутри шины в виде тепла. Иначе шины можно было бы и не ставить – они же так заодно гасят удары, все-таки (а удар – это энергия, которая из движения переходит в тепло).

Современные физические модели гоночных шин именно так и делят источники нагрева: на мощность трения в контакте с дорогой и потери энергии при циклических деформациях каркаса. Одновременно шина отдаёт тепло воздуху и дорожному покрытию. Поэтому медленный круг за автомобилем безопасности вполне способен оказаться кругом охлаждения.

На небольшой скорости нельзя так же сильно тормозить и разгоняться. Поперечные нагрузки меньше. Кроме того, падает аэродинамическая нагрузка: при прочих равных она приблизительно пропорциональна квадрату скорости. Если ради примера уменьшить скорость с 200 до 120 км/ч, аэродинамическая сила останется не на уровне 60 процентов, а всего около

(120 / 200)² = 0,36,

то есть 36 процентов исходной.

Это не расчёт именно круга на «Зандворте» (телеметрии у нас нет), а иллюстрация масштаба. Автомобиль становится легче именно тогда, когда шину хотелось бы сильнее мять, нагружать и заставлять немного полезно поскользить.

А мокрые места добавляют ещё один путь отвода тепла. И получается чудесная с инженерной точки зрения ситуация: гонщика выпускают на дополнительную по времени процедуру ради безопасности, но условия этой процедуры мешают ему восполнить тепло, которое шина теряет по дороге к стартовой решётке.

Причём говорить здесь о некой единой «температуре шины» вообще нельзя. У поверхности протектора одна температура. В глубине рабочего слоя - другая. У каркаса - третья. Внутренний слой, обод и газ в колесе живут ещё в собственном тепловом масштабе времени. Исследователи из Неаполитанского университета, разработавшие модель Thermo Racing Tyre, обнаружили как раз принципиальную для нашего случая вещь: наружная температура протектора меняется очень быстро и сама по себе плохо соответствует изменению сцепления. Гораздо лучше с ним коррелирует температура массива протектора, которая изменяется заметно медленнее.

Поэтому шина после одного и того же установочного круга вполне может одновременно иметь быстро охладившуюся поверхность, ещё сравнительно тёплый внутренний слой и недостаточно прогретую конструкцию для тех нагрузок, которые через несколько секунд потребует первый боевой круг.

И вот теперь можно возвращаться к Максу Верстаппену, исполнившему эффектный пируэт на глазах у изумленных сограждан.

Большая часть первого круга уже была достаточно сухой. Но не последние повороты. Лоусон потом говорил, что первая половина круга была практически сухой, тогда как заключительная часть оставалась очень мокрой, поэтому сам он специально оставил там большой запас. Верстаппен же увидел впереди сухое пятно и решил, что уже можно раньше начать разгон. Зря он так.

РБ22 ещё находился на влажной внутренней части профилированного последнего поворота, колесо оказалось на белой линии, задняя ось сорвалась, машину развернуло наружу, и она отправилась в ограждение. Сам Верстаппен после финиша никакого заговора ФИА искать не стал: он прямо признал, что увидел сухое место и слишком рано решил открыть газ. Официальные материалы «Формулы-1» также отмечают попадание колеса на белую линию.

Но здесь оставим «боковую дверку» для отдельного разговора. В машине 2026 года выражение «слишком рано открыл газ» уже не означает, что гонщик просто механически открыл дроссель и тем самым непосредственно добавил момент на задних колёсах. Правая педаль теперь задаёт требование по тяге, а затем между ней и пятном контакта начинают работать ДВС, турбина, мотор-генератор, аккумулятор и главный источник всех вопросов – «черный ящик» управляющей логики силовой установки. Что именно РБ22 сделал с запросом ноги Верстаппена в следующие десятые доли секунды - отдельная история. И к ней мы ещё вернёмся.

А пока что мы снова в последнем повороте первого круга. Почти там же развернуло Габриэла Бортолето. Бразилец описал эту часть трассы весьма доходчиво: по требуемому уровню сцепления там впору было ехать на дождевых шинах. Нико Хюлькенбергу пришлось уворачиваться от поперёк стоящей «Ауди», в прямом эфире повторяя сцену из американского блокбастера.

Итого. Двадцать две машины только что прошли одинаковую процедуру. Большинство трассы уже позволяло ехать на сликах. Затем те же слики за несколько секунд попадали в зону, где количество воды и свойства поверхности резко менялись. Один гонщик оставил большой запас и проехал. Другой решил, что сцепление уже вернулось, добавил тяги - и обнаружил ошибку тогда, когда задняя ось уже ушла.

Душнота

Теперь можно испортить хорошую историю уравнениями.

В самом примитивном виде тепловой баланс участка шины можно представить так:

m · cₚ · dT/dt = Q̇_трение + Q̇_{гистерезис} − Q̇_дорога − Q̇_воздух

Слева - скорость изменения запасённой в шине тепловой энергии. Справа - два источника и два основных стока.

Мощность, которая выделяется при относительном движении резины и дороги, грубо можно записать как

Q̇_трение ≈ Fₓ · v_{скольж,x} + Fᵧ · v_{скольж,y}

То есть большое усилие само по себе ещё ничего не гарантирует. Нужны одновременно сила и некоторое относительное движение в пятне контакта. То самое полезное, контролируемое скольжение. Тут совсем как с лимоном. Понемногу, да с сахарком – очень даже вкусно. Но это же не значит, что нужно есть лимон целиком. Обратно, если целиковый лимон никто не ест, это же не значит, что его нельзя есть дольками.

Второй источник - гистерезисные потери конструкции. Ох, уж этот гистерезис. Как любили пытать им на экзаменах на кафедре Автомобилей. Если совсем кратко, примитивно, то гистерезис – это запаздывание отклика системы на воздействие. Схватись вы за горячий чайник, то до вас тоже не сразу дойдет, что происходит, и руку вы тоже не сразу отдерните. Тоже своего рода гистерезис. Но это совсем уж из другой оперы.

В модели TRT EVO гистерезисные потери называют strain energy loss: каркас и боковины непрерывно деформируются и разгружаются, но вязкоупругая система возвращает не всю полученную механическую энергию. Остаток превращается в тепло. Особенно заметная часть этих потерь приходится на сильно деформирующиеся боковины.

Теперь уменьшаем скорость, разгон, торможение и поперечное ускорение. Меньше деформируется конструкция, оба источника тепла проседают одновременно.

А охлаждение-то от асфальта и воздуха никуда не исчезает.

Наоборот, протектор продолжает контактировать с асфальтом, наружная поверхность обдувается воздухом, а встреча с водой резко меняет граничные условия теплообмена. В физической модели TRT EVO именно температура дороги и воздуха входят в граничные условия, а теплообмен с покрытием и наружным потоком рассчитывается отдельно от внутреннего тепловыделения.

Отсюда и парадокс установочного круга за автомобилем безопасности:

Q̇_{выделяется} < Q̇_{теряется}

То есть, шина едет, но остывает. Она получает какое-то количество тепла от внутреннего трения, но его не хватает, чтобы компенсировать потери на контакт с холодным асфальтом.

Есть ещё одна неприятность. Наружный слой резины способен менять температуру значительно быстрее внутреннего. Поэтому даже инфракрасное измерение поверхности не даёт полной картины состояния шины. У модели TRT EVO температура поверхности меняется слишком быстро, чтобы столь же быстро изменить механические свойства всего протектора, тогда как температура внутреннего слоя протектора гораздо лучше повторяет изменение сцепления.

А на ещё меньшем пространственном масштабе существует так называемая мгновенная температура контакта - flash temperature.

Еще один физик, Джорджиос Маврос, строил тепловую модель сразу в двух масштабах: миллиметровая сетка описывала температуру протектора и боковин, а отдельная модель - микрометровые горячие участки в местах контакта резины с вершинами неровностей дороги. Коэффициент трения там зависит уже одновременно от скорости скольжения, температуры, давления, шероховатости покрытия и вязкоупругих свойств резины.

То есть выражение «шина прогрелась до 70 градусов» (даже если мы измеряем температуру в трех точках, по краям и в центре) для современной динамики автомобиля примерно настолько же содержательно, как «двигатель прогрелся до 100 градусов». Где именно? Что нагрето? Насколько равномерно? И что происходило с этим слоем последние пять секунд?

С водой дело приобретает дополнительное измерение.

В работе Б. Н. Дж. Перссона для шероховатой дороги при небольших скоростях скольжения мокрая поверхность давала на 20-30 процентов меньше трения, чем соответствующая сухая. Причём авторы показывали, что дело не обязательно в классическом аквапланировании: вода заполняет впадины микрорельефа, резина как бы герметизирует эти «лужицы», и эффективная шероховатость, заставляющая резину циклически деформироваться, уменьшается. Вместе с ней уменьшается и гистерезисная составляющая трения.

Разумеется, эти 20-30 процентов нельзя просто взять и напрямую приписать в список причин вылета Верстаппена. Другая резина, другие нагрузки, скорости, шероховатость и толщина водяной плёнки. При больших скоростях вдобавок начинает играть всё большую роль гидродинамика. Но механизм нам важен: вода уменьшает сцепление ещё до полноценного аквапланирования.

На сцену выходит толстая белая линия.

Тут тоже не стоит объявлять магическое значение коэффициента трения для любой краски. Разные дорожные разметки отличаются по этому параметру просто чудовищно: обзор исследований по противоскользящим свойствам разметки приводит значения, различающиеся чуть ли не на порядок. Некоторые структурированные покрытия с противоскользящим заполнителем могут давать очень хороший результат и уровень сцепления смоченной поверхности краски падает не так катастрофично, как у вашей водостойкой эмали потолка в ванной комнате. При этом, конечно же, разметка действительно может быть совершенно иной контактной поверхностью, чем лежащий рядом асфальт, особенно после смачивания. Какая именно разметка использована в «Зандворте» и каков её коэффициент сцепления в этих условиях, нам знать не дано, к сожалению.

Резюмируя, можно сказать, что Верстаппен разбил машину не потому, что ФИА нажала ему на газ. Он сам выбрал момент открытия дросселя и сам назвал случившееся ошибкой. Нельзя доказать и обратное, что при обычном установочном круге его шины непременно имели бы достаточно высокую внутреннюю температуру, чтобы машина удержалась.

Но критика процедуры от этого не становится пустой. В ФИА пытались снизить один риск - неизвестность состояния мокрой трассы. Для этого она ограничила скорость установочного круга. А ограничение скорости одновременно ухудшило возможности гонщиков управлять другим параметром безопасности - энергетическим состоянием сликов перед стартом.

Продуктивный спор после «Зандворта» будет заключаться в выяснении того, какую именно величину должна оптимизировать безопасная процедура старта на подсыхающей трассе: то ли проверка сухости асфальта, то ли поддержание температуры шин.

• < Назад
• Вперёд >