Формула 1

Диск или насос?

На некоторых машинах «Формулы-1» 2026 года колесо похоже на гладкий металлический блин: спиц не видно, а от центральной гайки до обода тянется сплошная поверхность. Но несущего колеса в форме монолитной тарелки там нет. Под видимой гладкой поверхностью по-прежнему находится полноценное магниевое колесо со ступичной частью, спицами и ободом. А снаружи к нему прикреплён тонкий диск - фактически аэродинамическая облицовка. Почему и как этим пользуются конструкторы?

Что именно мы видим

Действующий регламент «Формулы-1» прямо разделяет эти детали.

Несущая часть колеса - Wheel Rim - должна изготавливаться из магниевого сплава AZ70 или AZ80. Причём в описании испытания колеса ФИА отдельно упоминает три его структурные части:

- barrel - цилиндрическую часть, или «бочку» обода;
- spokes - спицы;
- hub - центральную ступичную часть.

Следовательно, спицы никуда не исчезли: они являются частью силовой конструкции колеса и проходят ударные испытания вместе с ободом и ступичной зоной.

Поверх них устанавливается другая деталь - Outboard Disc, наружный диск. В актуальной редакции регламента FIA он обязателен на всех четырёх колёсах, должен быть осесимметричным и непрерывным по всей окружности. Изготавливать его разрешено только из полимеров или полимерных композитов.

Это не декоративный колпак в обычном автомобильном смысле, но и не несущий «диск». Деталь вращается вместе с колесом, однако основные вертикальные, боковые и продольные нагрузки через неё не передаются.

Но ведь говорили, что колёсные крышки убрали

Здесь виновата смена терминологии.

В 2022–2025 годах на каждом колесе устанавливалась отдельная стандартизованная деталь, которая официально называлась Wheel Cover. Она закрывала наружную поверхность колеса по геометрии, заданной ФИА.

При переходе к регламенту 2026 года эту прежнюю крышку действительно убрали – прессолиз «Формулы-1» даже упоминали её исчезновение среди мер по снижению массы.

Но вместо неё в окончательном регламенте остался более ограниченный наружный диск. Поэтому фраза «колёсные крышки убраны» означает не то, что спицы теперь обязаны быть полностью открыты, а то, что исчезла прежняя крупная стандартизованная крышка поколения 2022–2025 годов.

Внешне результат зависит от окраски. Если кольцевой диск чёрный, спицы и углубление центральной части сливаются в одну тёмную поверхность. Если на него нанесена яркая графика, глаз вообще перестаёт отделять облицовку от конструкции колеса. Поэтому на одних машинах диски выглядят почти сплошными, а у других структура колеса читается заметно лучше.

Зачем вообще закрывать спицы

Открытые спицы быстро вращаются в набегающем потоке и работают отчасти как лопасти вентилятора.

Они перемешивают воздух около наружной поверхности колеса, перекачивают его между внутренней и наружной полостями и создают нестационарный поток: за каждой спицей возникает собственный след. Всё это взаимодействует с передним антикрылом, тормозными каналами, шиной и расположенными позади колеса элементами обвеса, устраивая кошмарный сон гидродинамика.

Гладкая вращающаяся поверхность делает это течение более предсказуемым. Именно уменьшение турбулентности и возможность лучше контролировать охлаждающий поток назывались среди причин появления колёсных экранов при введении 18-дюймовых колёс.

Но превращать ради этого всё колесо в тяжёлую металлическую тарелку бессмысленно. Гораздо рациональнее оставить эффективную спицованную силовую конструкцию и закрыть её тонкой оболочкой.

Почему несущая часть всё равно имеет спицы

Колесо воспринимает сразу несколько различных нагрузок.

На прямой через него проходит вертикальная сила Fz: масса машины плюс аэродинамический прижим.

В повороте появляется боковая сила Fy, изгибающая колесо и стремящаяся наклонить обод относительно ступицы.

При разгоне и торможении действует продольная сила Fx, а вместе с ней - крутящий момент T=FxR,

где R - эффективный радиус колеса.

Кроме того, колесо получает короткие ударные нагрузки от поребриков и неровностей. В «Формуле-1» испытание предусматривает удар по наружной закраине колеса массивным бойком; повреждение спиц, ступичной части или цилиндрической части обода считается отказом конструкции.

Спицы позволяют направить материал именно по путям передачи этих сил.

Одни спицы преимущественно растягиваются, другие сжимаются, третьи воспринимают изгиб. При повороте колеса их роли постоянно меняются. Получается пространственная решётка, которая связывает сравнительно маленькую ступицу с большим ободом.

Плоская сплошная пластина работала бы иначе. Значительная часть её материала находилась бы в сравнительно слабо нагруженных областях, а при боковой нагрузке вся пластина стремилась бы изгибаться, как тонкая крышка большой кастрюли.

Чтобы получить требуемую жёсткость, сравнимую со спицованным вариантом, пришлось бы увеличить толщину, сделать поверхность конической или волнистой, добавляя рёбра жёсткости.

Это была бы уже не крышка кастрюли или тарелка, а полноценный канализационный люк.

Почему особенно важна инерция

Для вращающейся детали важна не только масса, но и расстояние этой массы от оси.

Момент инерции вращающегося тела можно сравнить с моментом силы, у которого даже ничтожная сила на приличном расстоянии от центра создает ощутимую нагрузку. А в моменте инерции масса умножается на квадрат расстояния! То есть, зависимость от удаления от центра вращения еще заметнее.

Поэтому граммы около наружного края колеса обходятся значительно дороже, чем те же граммы около центральной гайки.

Энергия, необходимая для раскручивания колеса, прямо пропорциональна этому моменту инерции (а значит и квадрату расстояния) и квадрату угловой скорости вращения (условно, разница между 1 оборотом в секунду и 2 оборотами не 2, а 4)

Ладно бы только разгон. При каждом разгоне силовая установка должна раскручивать четыре колеса. Но потом нужно ведь и тормозить! При торможении эту вращательную энергию необходимо снова погасить или рекуперировать.

Дополнительная масса колеса приносит сразу три неприятности: увеличивает общую массу автомобиля (плохо для разгона, торможения, да и в поворотах тоже), увеличивает вращательную инерцию, увеличивает неподрессоренную массу.

Последний пункт особенно важен на поребриках. Чем тяжелее колесо, тем труднее пружине и амортизатору заставить его быстро следовать за профилем дороги. Колесо сильнее стремится продолжить движение по собственной траектории, а нагрузка в пятне контакта колеблется сильнее.

Кроме того, большое значение момента инерции увеличивает гироскопический момент вращающегося колеса, который пропорционален этому моменту инерции, угловой скорости и скорости изменения направления оси колеса при повороте руля, крене или движении по неровности. Это не главная потеря времени, но ещё одна причина не добавлять вращающимся деталям лишний вес.

Поэтому решение ФИА выглядит логично: силовое колесо остаётся лёгким и спицованным, а аэродинамическую функцию выполняет тонкое полимерное кольцо.

А что вообще правильно называть «диском»

В технической русской терминологии диск - это не всё колесо. ГОСТ определяет колесо как узел между шиной и ступицей. Обычно оно состоит из обода и центрального «диска».

Обод - часть, на которой устанавливается и удерживается шина. Диск - соединительная часть между ступицей и ободом. А «дисковое колесо» - неразборный узел, состоящий из диска и обода.

Таким образом, выражение «купить колёсные диски» технически неточно. Обычно человек покупает колёса без шин, то есть обод вместе с центральной силовой частью. Слово «диск» просто распространилось с части конструкции на весь предмет - примерно как раньше автомобиль иногда называли «мотором».

При этом технический диск необязательно должен выглядеть как идеально сплошной круг. Это прежде всего функциональное название детали, соединяющей ступицу с ободом. В ней могут быть отверстия, окна, выштамповки и прорези. Если материал разделён на отдельные узкие силовые перемычки, мы уже привычно называем их спицами.

В английском регламенте Формулы-1 возникает дополнительная путаница. Термин Wheel Rim там охватывает не только собственно обод, но и спицы с центральной ступичной частью. А слово Disc в правилах 2026 года обозначает как раз отдельный наружный полимерный экран. Поэтому буквальный перевод отдельных слов может окончательно запутать читателя.

Спицевый насос

Внутренняя сторона колеса со спицами физически может работать как открытая крыльчатка, и применительно к воздуху, проходящем там, можно говорить о радиальном вентиляторном, или насосном, эффекте.

Однако в «Формуле-1» 2026 года этот эффект скорее приходится контролировать и подавлять, чем превращать спицы в полноценный насос.

Как спицы начинают «качать» воздух

Вращающиеся спицы ударяют по воздуху и сообщают ему окружную скорость. Воздух внутри колёсной полости начинает вращаться вместе с колесом, когда каждая молекула вращающегося потока начинает взаимодействовать с соседями.

Для закрученного потока возникает радиальный градиент давления: давление у внешнего радиуса становится выше, чем около ступицы. Воздух стремится перемещаться от центра к ободу, а освободившийся объём должен заполняться воздухом, поступающим ближе к оси.

Получается циркуляция, напоминающая работу центробежного вентилятора, когда вращающееся колесо может затягивать в себя воздух по центру и выбрасывать с окраин. Чем шире спицы, чем сильнее они наклонены относительно плоскости вращения и чем меньше зазор между ними и окружающим кожухом, тем сильнее потенциальный насосный эффект.

Но колесо без закрытого корпуса и улитки остаётся очень неэффективным вентилятором. Значительная часть воздуха просто перемешивается внутри полости.

Куда воздух мог бы перекачиваться

Теоретически возможны два разных режима.

Радиальный

Воздух движется от ступицы к внутренней поверхности обода. Такой эффект может существовать даже у прямых радиальных спиц и почти не зависит от направления вращения.

Осевой

Спицы с наклоном или профилем лопасти могли бы перемещать воздух поперёк колеса: например, засасывать его с внутренней стороны и выбрасывать наружу.

Это уже скорее осевой вентилятор. Для эффективной работы ему нужны «правые» и «левые» лопатки, согласованные с направлением вращения каждого колеса.

В «Формуле-1» оба режима существенно ограничены правилами.

Что запрещает регламент 2026 года

Во-первых, ФИА требует, чтобы между внутренней и наружной полостями несущего колеса не существовало прохода для воздуха. Отверстия должны закрываться встроенной или отдельной панелью. Причём дополнительные панели, которые не нужны для прекращения этого сообщения, запрещены.

Следовательно, спицы могут перемешивать воздух на внутренней стороне, но не могут использоваться как крыльчатка, которая прогоняет поток насквозь через колесо.

Во-вторых, конструкция несущего колеса не может быть разной для левой и правой сторон машины. Это делает классические наклонные или загнутые вентиляторные лопатки непригодными: одинаковый профиль при противоположном направлении вращения колёс работал бы по-разному.

В-третьих, непосредственно запрещены элементы колеса, предназначенные для изменения его теплопередачи. Конструкцию необходимо представлять ФИА на одобрение. Поэтому заявить аэродинамически профилированные спицы как устройство для усиленного охлаждения обода или шины было бы крайне трудно.

Для шин регламент отдельно разрешает только естественную конвекцию окружающего воздуха над комплектным колесом или через разрешённую колёсную аэродинамику. Иные устройства, системы или процедуры, назначением либо эффектом которых является охлаждение шин, запрещены.

Может ли эффект быть полезен для тормозов

В принципе — да. Исследования обычных автомобильных колёс показывают, что геометрия центральной части и спиц способна существенно изменить осевой расход воздуха через колесо и коэффициент теплоотдачи тормозного диска. То есть спицы действительно могут быть частью системы вентиляции, а не только структурым элементом.

Но в машине «Формулы-1» гораздо более эффективным насосом служит сам вентилируемый тормозной диск. Его внутренние каналы вращаются вместе с диском, принимая воздух ближе к ступице, разгоняя его в каналах и выбрасывая к наружному радиусу, отводят тепло от углеволоконных рабочих поверхностей.

Вокруг него находится неподвижный тормозной «барабан» (не барабанный тормоз, а кожух) с настраиваемыми входами и выходами. Такая система намного эффективнее открытых спиц, потому что у неё есть определённый путь потока.

Спицы при этом могут помогать движению воздуха в окружающей полости, но они не являются главным насосом.

Почему сильный насос из спиц может оказаться невыгодным

Любой воздух, разогнанный колесом, получает энергию от автомобиля. На вращающемся колесе возникает вентиляционный момент сопротивления. То есть полезная вентиляция не бесплатна. Чем сильнее колесо раскручивает воздух, тем больший момент должен преодолеть привод.

Исследования колёсной аэродинамики рассматривают этот эффект как отдельное вентиляционное сопротивление: вращающиеся спицы создают касательные напряжения, перепады давления и дополнительное аэродинамическое сопротивление.

Кроме энергетических потерь возникают другие проблемы.

Неконтролируемое охлаждение

Производительность такого «насоса» примерно возрастает с частотой вращения. На высокой скорости он работает сильнее, на медленной - слабее.

Но потребность тормозов в охлаждении не всегда совпадает со скоростью колеса. После сильного торможения машина может ехать медленно, хотя диск очень горячий. А на длинной прямой колесо вращается быстро, хотя тормоз уже необходимо удерживать в рабочем температурном диапазоне.

Нагрев шины

Больше воздуха через тормозной узел не всегда означает более холодную шину. Поток может снять тепло с тормозного диска, а затем передать его колёсному ободу, воздуху внутри шины, каркасу шины.

Поэтому иногда требуется не увеличить общий расход, а точно определить, куда направляется горячий воздух.

Вернемся к нашим тарелкам

Полезной может оказаться особая функция наружного диска: не усиливать откачку, а подавлять неконтролируемый насосный эффект спиц.

Без крышки вращающиеся спицы: захватывали бы воздух из внутренней полости, выбрасывали его наружу, создавали бы пульсирующий поток, работали бы как грубая крыльчатка, влияли бы на охлаждение тормозов и шины.

Это особенно плохо в условиях жесткой экономии аэродинамического сопротивления с нынешними силовыми установками.

Гладкий диск отделяет внутренний поток от внешнего. Он делает систему более закрытой и позволяет инженерам управлять вентиляцией преимущественно неподвижными каналами и регламентированными выходами.

Наружный диск всё равно немного перекачивает воздух

У гладкого вращающегося диска есть собственный аэродинамический эффект.

Воздух непосредственно у поверхности из-за вязкости начинает вращаться вместе с ней. Центробежное ускорение уводит этот пограничный слой к внешнему радиусу, а на его место ближе к центру поступает другой воздух. Получается слабая циркуляция.

Но у колеса машины «Формулы-1» эта идеальная картина нарушена:

- диск движется вперёд вместе с машиной;
- рядом вращается шина;
- колесо находится близко к земле;
- передняя половина колеса встречает набегающий поток;
- задняя половина находится в сложном следе;
- внешняя поверхность частично занята центральной гайкой и ступичной зоной.

Поэтому диск нельзя рассматривать как изолированный насос с понятным входом, выходом и производительностью. Это часть сложного трёхмерного течения.

Что разрешено конструкторам

Регламент не запрещает любой аэродинамический эффект вращения. В противном случае пришлось бы запретить само колесо.

Но он запрещает или резко ограничивает возможность намеренно оформить этот эффект в отдельное насосное устройство.

При этом ФИА прямо допускает конвекцию окружающего воздуха через регламентированную колесную аэродинамику как нормальный способ охлаждения шины. Дополнительные устройства, специально усиливающие её охлаждение, запрещены.

Наружный диск «Формулы-1» обладает слабым центробежным насосным эффектом, потому что вращающаяся поверхность увлекает воздух. Но полноценным центробежным насосом он не является, а превратить его в крыльчатку правила практически не позволяют.

Что в итоге делают конструкторы

Спицы нельзя заставить вовсе перестать взаимодействовать с воздухом. Поэтому их реальный насосный эффект обязательно учитывают в вычислительной гидродинамике (ВГД, CFD) и на стендах.

Но полезнее не превращать колесо в самостоятельный вентилятор, а согласовать неизбежное вращательное течение с разрешёнными неподвижными элементами:

- входом тормозного канала;
- внутренним барабаном;
- каналами тормозного диска;
- выходными отверстиями колёсной аэродинамики;
- тепловым режимом обода и шины.

Получается такая иерархия: тормозной диск работает как настоящий центробежный вентилятор; спицы создают вспомогательное вращение и перемешивание; неподвижные каналы определяют, куда в итоге пойдёт поток.

Таким образом, внутренняя часть колеса «Формулы-1» действительно может обладать насосным эффектом. Но сделать спицы эффективной крыльчаткой в 2026 году мешают запрет сквозного потока через колесо, одинаковая конструкция для обеих сторон, ограничения на управление теплопередачей и неизбежное вентиляционное сопротивление. Инженерная выгода заключается скорее в разумном использовании неизбежной циркуляции, чем в максимальной производительности спиц как насоса.