Как водить безопасно.

Виктор Дегтярев

В прошлой статье мы разобрались в тех физических принципах, которые отвечают за перераспределение веса между осями и колесами автомобиля при его ускорении, торможении или прохождении поворотов. Мы выяснили, что смещение веса является следствием взаимодействия сил инерции и сцепления колес с поверхностью дороги, которые приложены к разным частям кузова, и поэтому создают вращающие моменты. Воспользовавшись законами Ньютона, мы обнаружили, что при экстренном торможении автомобиля до 300 кг его веса может перемещаться с задней оси на переднюю.

Сейчас мы обратимся к другому, еще более важному для практики вопросу - рассмотрим, что удерживает покрышки в контакте с поверхностью дороги и при каких условиях контакт может нарушиться, в результате чего возникнет скольжение. Мы увидим, что заставить колесо проскальзывать можно двумя способами - либо приложив достаточно большую горизонтальную силу к месту его контакта с поверхностью дороги, либо сняв с колеса часть вертикальной нагрузки за счет динамического перераспределения веса, которого можно добиться при манипулировании органами управления автомобиля. И наоборот - проскальзывающее колесо можно снова привести в контакт с дорогой, уменьшив горизонтальное усилие или увеличив приходящуюся на него часть веса автомобиля.

Глава 2
Как удержать колеса в контакте с дорогой Понимание процесса взаимодействия колеса с поверхностью дороги очень важно для грамотного управления автомобилем в экстремальных условиях, независимо от того, возникли эти условия по воле водителя (автоспорт) или же он попал в них случайно. Это даст возможность водителю предвидеть последствия своих действий и при тренировке выработать динамические стереотипы управления, которые помогут избегать опасных ситуаций или же выходить из них с наименьшими потерями.

Все выдающиеся гонщики обладают "чувством балансировки автомобиля", которое позволяет им с точностью до нескольких килограммов управлять распределением веса по колесам. Они всегда знают, как будет меняться балансировка, если, например, чуть отпустить педаль газа или слегка повернуть рулевое колесо. Это позволяет им выбирать наилучший режим движения в любых обстоятельствах и управлять автомобилем очень точно, во всяком случае точнее, чем соперники, - это и делает их победителями.

Конечно, такое умение дается каждодневной многолетней практикой. У большинства из нас для этого нет ни времени, ни возможностей. Но судя по тому, что на учебных площадках встречаются не только совсем зеленые новички, но и парни, нарезающие (часто бестолково) круги на дымящейся резине, есть в народе желание научиться ездить по-настоящему. А когда за что-то берешься, знание теории только помогает.

Теория легче усваивается, когда она основана на опытах, поэтому предлагаем провести несколько простых экспериментов. Экспериментировать можно по-настоящему, а можно и в воображении, следя за нашими рассуждениями. Для начала снимите колесо с машины (покрышку демонтировать не надо) - впрочем, колесо может найтись и в гараже. В крайнем случае можно воспользоваться любым тяжелым предметом, обращаться с которым в условиях "домашней лаборатории" проще - придем к тем же принципиальным выводам, лишь численные результаты опытов не будут в полной мере описывать реальное автомобильное колесо.

Теперь возьмите точный прибор, с помощью которого ваша жена портит себе настроение по утрам, - напольные весы - и взвесьте себя, сначала с колесом, затем без него - разница даст вес колеса. У нас получилось 22 кг, у вас может быть меньше, если вы - счастливый обладатель магниевых дисков. Поставьте колесо на пол или на стол и попробуйте сдвинуть его вбок и заставить скользить по поверхности, прилагая боковое усилие как можно ниже, вблизи контактирующих поверхностей.

Здесь уместно сделать ряд пояснений. Катящееся по дороге колесо в любой момент времени имеет участок, находящийся в контакте с неподвижной поверхностью дороги и соответственно также неподвижный - это часть поверхности покрышки, находящаяся в пятне контакта. Собственно, вдоль дороги автомобиль движется за счет вращения колеса, и препятствует этому движению лишь сила трения качения, которая весьма мала. Держится же автомобиль за дорогу, ускоряется и тормозится за счет сил взаимодействия с поверхностью дороги в пятне контакта - это силы трения скольжения, которые можно назвать трением покоя, если нет проскальзывания. Для того чтобы автомобиль сохранял управляемость, проскальзывания быть не должно, поэтому попробуем определить условия, при которых оно может возникнуть.

С какой силой надо надавить на колесо, чтобы заставить его скользить? Воспользуемся теми же весами, которые поместим между колесом и толкающей его рукой.

Конечно, точность измерений при этом не слишком высока, однако представление о величине необходимой силы получить все же можно. Во дворе, на чистом сухом асфальте у нас получилось 38 кг, но наши манипуляции вызвали внимательные взгляды окружающих. Перенеся эксперимент на кухню, в спокойной обстановке на покрытом линолеумом полу мы добились скольжения колеса, воздействовав на него с силой около 27 кг. Теперь можно заняться анализом полученных результатов.

На асфальте сдвигающая сила превысила вес колеса в 1,7, а на линолеуме - в 1,2 раза. Что означают эти цифры? В предыдущей статье мы выяснили, что ускоряют и тормозят автомобиль (а также удерживают его в повороте) силы сцепления колес с поверхностью дороги. Получается, что максимально возможная величина ускорения для нашего автомобиля равна 1,7 g на асфальте и 1,2 g на линолеуме. Это было бы очень хорошо, если бы было правдой - все несколько сложнее и к анализу деталей мы еще вернемся.

По правде говоря, когда мы начинали эксперименты, то ожидали получить значения меньше 1 g. Те невероятные величины, которые мы получили, лишь с большим трудом достигаются в реальных условиях и являются доказательством ошеломляющих успехов технологии автомобильных покрышек.

Если бы можно было посмотреть под микроскопом на взаимодействующие поверхности, мы бы увидели как длинные цепочки молекул резины изгибаются и растягиваются, сцепляясь с молекулами дорожного покрытия. Покрышка как бы прилипает к асфальту, чего и добивались ее создатели - именно за счет эффекта прилипания инженерам удалось получить значения коэффициента трения, превосходящие единицу.

Еще лет 30 назад инженеры были убеждены, что величина 1 g является теоретическим пределом для любой покрышки и делали из этого практические выводы.

Считалось, например, что на отрезке длиной 1/4 мили при старте с места нельзя показать среднюю скорость выше 200 миль/час - это соответствует прохождению всей трассы с ускорением, ограниченным лишь сцепными свойствами покрышек. А сейчас специалисты по безопасности автомобильных гонок озабочены тем, чтобы ограничить максимальную скорость величиной 300 миль/час - самые крутые драгстеры способны развивать ускорение до 3 g.

Но вернемся к экспериментам. Увеличим вес колеса до 40 кг, например, привязав к нему несколько гантелей. Теперь для сдвига колеса на асфальте потребовалось усилие около 68 кг, что поразительным образом в те же 1,7 раза больше его веса. Можно сделать важный вывод: сила, необходимая для сдвига колеса, пропорциональна приходящейся на него весовой нагрузке.

В математическом виде это можно выразить следующим образом: F=kP где F - максимальная величина силы трения скольжения; P - вертикальная нагрузка на пятно контакта колеса с поверхностью дороги, а k - числовой коэффициент пропорциональности, связывающий две силы, его называют также коэффициентом трения покоя. Отсюда следует, что пока усилия в пятне контакта не превышают kP, покрышка "держится" за дорогу и позволяет автомобилю ускоряться и проходить повороты. (Если больше нравится говорить не о силах, а об ускорениях, то k есть максимально возможная величина ускорения колеса и, соответственно, автомобиля в единицах g.) На самом деле коэффициент трения покоя не является величиной постоянной. Очень многие факторы в реальных дорожных условиях уменьшают прилипание даже самой хорошей гоночной покрышки и доводят величину k до значений порядка единицы. На коэффициент k влияют состояние дорожной поверхности (вспомните линолеум), температура поверхностей и покрышки в целом, давление воздуха, работа подвески - проще было бы указать те факторы, которые на его величине не сказываются. Однако при всех условиях пропорциональность в законе трения сохраняется достаточно точно.

Теперь понятно, почему при прохождении поворота, ускорении или торможении "на пределе", даже незначительное перераспределение веса автомобиля между колесами может снизить нагрузку на некоторые из них настолько, что они начнут скользить. Например, из-за перераспределения веса в комбинации с действием закона трения при ускорении машины уменьшается сцепление передних покрышек, а задних - увеличивается. При торможении возникает обратный эффект, а в поворотах колеса внутренней стороны больше склонны к скольжению, чем внешние.

Для хорошо сконструированных покрышек переход из состояния трения покоя в режим скольжения не является очень резким, они теряют контакт с дорогой постепенно, по мере возрастания сдвигающей силы или уменьшения вертикальной весовой нагрузки. Такие покрышки прощают водителю ошибки управления и дают время на их исправление. Старые, жесткие покрышки в меньшей степени склонны прощать ошибки, чем новые и эластичные; низкопрофильная резина также более требовательна к мастерству водителя по сравнению с высокопрофильной. Впрочем, это лишь общие рассуждения - покрышки, особенно если вы собираетесь ездить в предельных режимах, следует подбирать индивидуально и испытывать в безопасных условиях. Некоторые покрышки настолько строги, что начинают скользить сразу, без какого-либо предупреждения, и зачастую ставят водителя в драматическую ситуацию. Другие же наоборот столь деликатны, что водить обутый в них автомобиль легко и приятно.

Для грамотного управления автомобилем вблизи предела сцепления колес необходимо развивать в себе способность всем телом ощущать даже небольшие изменения в продольных и боковых ускорениях, которые могут привести колеса в состояние скольжения. Почувствовать, что происходит, можно буквально собственной спиной, если, конечно, она у вас "обучена". Усилия на рулевом колесе и издаваемые покрышками звуки также весьма информативны. Покрышки начинают скрипеть, когда приближаются к пределу сцепления, пищат, когда он достигнут, и визжат, когда предел перейден.

Для того чтобы вас подстерегало поменьше неожиданностей, управлять автомобилем следует плавно и мягко, постоянно мысленно контролируя поведение всех его колес, до тех пор пока это не станет рефлексом - именно резкие маневры приводят к неконтролируемому перераспределению веса и последующим неприятностям. Конечно, давать подобные советы легче, чем выполнять, но...

В последующем, основываясь на выведенных закономерностях, мы рассмотрим явления недостаточной и избыточной поворачиваемости, а также ряд других эффектов, важных для грамотного и безопасного управления автомобилем.