Двигатель решает многое, но в современном кольцевом автоспорте победу всё чаще приносит воздух. Гоночный болид на высокой скорости прижимается к асфальту с силой, сравнимой с его собственным весом, и именно это позволяет проходить повороты на скоростях, недоступных обычному автомобилю. Мы разобрались, как работают антикрылья, днище и диффузор, почему болиды так трудно обгонять и чем инженеры жертвуют ради лишнего килограмма прижима.
Самолёт наоборот
Самое простое объяснение звучит так: гоночная машина — это перевёрнутый самолёт. Крыло самолёта создаёт подъёмную силу благодаря разнице давлений над и под профилем. Если перевернуть такое крыло, оно будет тянуть вниз. Именно этот принцип лежит в основе переднего и заднего антикрыла.
Зачем машине тянуться к земле? Сцепление шины с асфальтом пропорционально силе, которая прижимает её к дороге. Масса болида ограничена регламентом, и сделать машину тяжелее ради сцепления нельзя — это ухудшит разгон и торможение. А вот аэродинамический прижим, или даунфорс, добавляет нагрузку на шины без увеличения массы. В скоростном повороте это даёт колоссальное преимущество.
Цена прижима — сопротивление воздуха. Любое крыло, создающее прижимную силу, одновременно тормозит машину. Поэтому вся аэродинамика болида — это постоянный поиск баланса между прижимом и лобовым сопротивлением, и этот баланс разный для каждой трассы.
Переднее антикрыло: первым встречает поток
Переднее крыло решает сразу две задачи. Во-первых, создаёт прижим на передней оси, обеспечивая машине поворачиваемость. Во-вторых, оно формирует поток для всей остальной машины: направляет воздух вокруг передних колёс, к днищу и боковым понтонам.
Колёса открытого болида — серьёзная аэродинамическая проблема. Вращающаяся шина создаёт мощную турбулентность, которая может испортить работу днища и заднего крыла. Поэтому инженеры тщательно проектируют элементы переднего крыла так, чтобы отвести этот «грязный» воздух в сторону.
Переднее крыло обычно состоит из нескольких элементов, угол атаки некоторых из них можно менять при пит-стопе. Этим механики тонко настраивают баланс машины: чуть больше угла — и передок держит лучше, но может появиться избыточная поворачиваемость.
Днище и граунд-эффект
Самая мощная часть аэродинамики современного болида спрятана от глаз — это днище. Ещё в середине прошлого века инженеры обнаружили, что если правильно спрофилировать днище машины, оно будет работать как огромное крыло, создавая прижим с меньшим сопротивлением, чем навесные элементы.
Принцип основан на эффекте Вентури. Под днищем делают каналы, которые сужаются, а затем расширяются. В узкой части поток ускоряется, давление падает, и машину буквально присасывает к асфальту. Это и есть граунд-эффект.
Преимущество днища в том, что его прижим менее чувствителен к турбулентному потоку от машины впереди. Именно поэтому регламенты последних сезонов сделали ставку на граунд-эффект — чтобы машинам было проще ехать вплотную друг к другу и обгонять.
Но у граунд-эффекта есть и обратная сторона. Прижим сильно зависит от расстояния до асфальта. Если машина опускается слишком низко или поток под днищем срывается, прижим резко падает, а затем снова восстанавливается. Так возникает пропорпойзинг — характерная раскачка болида на прямой, знакомая многим зрителям по бортовым камерам. Чтобы с ней бороться, инженеры поднимают машину или делают подвеску жёстче, жертвуя частью прижима и комфортом пилота.
Совет редакции: в следующий раз, когда смотрите гонку, обратите внимание на искры из-под машин на прямых. Они появляются, когда защитные пластины днища касаются асфальта, — значит, машина работает на минимальном клиренсе, где граунд-эффект максимален.
Диффузор: выход из-под днища
Диффузор — это задняя часть днища, которая плавно поднимается вверх. Его задача — замедлить и расширить поток, выходящий из-под машины, вернуть его к атмосферному давлению. Чем эффективнее диффузор, тем сильнее разрежение под днищем и тем больше прижим.
Работа диффузора тесно связана с выхлопом, задним крылом и даже колёсами. В разные времена команды находили хитрые решения: направляли выхлопные газы в диффузор, делали двойные диффузоры с дополнительными каналами. Регламент регулярно закрывал такие лазейки, но инженеры неизменно находили новые.
Заднее антикрыло и DRS
Заднее антикрыло — самый заметный аэродинамический элемент. Оно создаёт значительную часть прижима на задней оси, которая нужна для стабильности в быстрых поворотах и уверенного выхода из медленных.
Именно на заднем крыле устроена система DRS — подвижный верхний элемент, который на определённых участках трассы пилот может открыть. Когда щель раскрывается, крыло перестаёт создавать большую часть прижима и сопротивления, и машина прибавляет скорость на прямой. Использовать систему разрешается не всегда, а лишь в специальных зонах и при соблюдении условий, например при отставании от соперника на определённую долю секунды.
Задумка DRS — компенсировать потерю прижима у преследующей машины и упростить обгоны. В разных сериях подобные системы реализованы по-разному, а в регламентах ближайших сезонов концепция активной аэродинамики может развиться ещё дальше.
Почему болиды трудно обгонять
Машина, едущая впереди, оставляет за собой след из турбулентного воздуха. Преследователь попадает в этот поток, и его крылья начинают работать хуже: прижим падает, шины перегреваются, машина скользит. Пилот вынужден держать дистанцию в поворотах, а значит, теряет шанс атаковать на прямой.
Этот эффект называют «грязным воздухом». Инженеры и регламентирующие органы много лет пытаются его уменьшить:
- переносят значительную часть прижима на днище, менее чувствительное к турбулентности;
- упрощают крылья и запрещают сложные аэродинамические элементы на корпусе;
- направляют поток от заднего крыла вверх, чтобы след меньше мешал машине сзади;
- вводят системы вроде DRS для обгона на прямых.
Одновременно существует и обратный эффект — аэродинамический мешок на прямой. За машиной соперника снижено лобовое сопротивление, и преследователь разгоняется быстрее. Пилоты активно этим пользуются, выходя из-за спины соперника перед торможением.
Настройка под трассу
Аэродинамическая конфигурация меняется от этапа к этапу. На скоростных автодромах с длинными прямыми команды ставят крылья с малым углом атаки, теряя прижим, но выигрывая максималку. На медленных городских трассах, наоборот, используют максимальную прижимную конфигурацию — там прямых мало, а поворотов много.
Инженерам при этом помогают несколько инструментов:
- Аэродинамическая труба, где испытывают уменьшенные модели машин.
- Вычислительная гидродинамика — компьютерное моделирование потоков.
- Датчики давления и специальные решётки на машине во время тренировок.
- Цветная краска, наносимая на кузов, которая показывает, как поток обтекает элементы.
Регламент ограничивает время работы в аэротрубе и вычислительные мощности, причём командам, которые выступают сильнее, достаётся меньше часов. Так организаторы стараются сократить разрыв между лидерами и середняками.
Что из этого пришло на дорогу
Аэродинамика гоночных болидов давно влияет на обычные автомобили. Спойлеры, выдвижные антикрылья на спорткарах, плоское днище, активные жалюзи радиатора — всё это гоночное наследие. В массовом сегменте аэродинамика работает в первую очередь на снижение расхода топлива и шума, а у электромобилей — на увеличение запаса хода. Аккуратно выполненное днище и продуманные зеркала дают реальную экономию на трассе.
Итог
Аэродинамика — невидимая, но решающая часть гоночного автомобиля. Переднее крыло формирует поток, днище с диффузором создают основной прижим, заднее крыло добавляет стабильности, а инженеры постоянно балансируют между сцеплением и максимальной скоростью. Понимая эти принципы, гонку смотреть куда интереснее: становится ясно, почему одна машина быстра в поворотах, другая на прямых, и почему обогнать соперника так непросто.
