Новый физический фейерверк - Джирл Уокер

Чтобы машина, участвующая в автогонках класса Гран-при, оставалась в вираже при плоском повороте, необходимо трение. Но если машина движется слишком быстро, трение подводит и машина вылетает с трассы. Раньше гонщикам приходилось проходить плоский поворот достаточно медленно. Но современные гоночные машины спроектированы иначе: машина буквально вдавливается в трассу, что обеспечивает хорошее сцепление шин с дорогой. Говорят, что в этом случае действует отрицательная подъемная сила. Она настолько сильна, что некоторые водители утверждают: если потолок длинный, они могут вести машину даже вверх ногами. В чем причина появления отрицательной подъемной силы и может ли реальная гоночная машина ездить вверх ногами, как вымышленный седан из первой серии фильма «Люди в черном»?^[25] На отрицательную подъемную силу можно положиться, когда только одна машина совершает поворот, как, скажем, при одиночном заезде на скорость. Но опытный водитель знает, что по ходу гонки отрицательная подъемная сила может исчезнуть. В чем тут причина?

ОТВЕТ • В основном отрицательная подъемная сила, до 70%, связана с крыльями машины, направляющими вверх поток воздуха. Остальные 30% обеспечивает так называемый эффект земной подушки, связанный с потоком воздуха под днищем автомобиля. Чем быстрее движется автомобиль, тем эффективнее эти механизмы. При высоких скоростях, как на гонках «Формулы-1», отрицательная подъемная сила превышает действующую на автомобиль гравитационную силу. Но это значит, что, если бы автомобилю удалось, не сбавляя скорости, перебраться с гоночного трека на потолок, отрицательная подъемная сила, направленная теперь вверх, с запасом компенсировала бы направленную вниз силу гравитации. Так что машина и в самом деле могла бы двигаться вверх ногами, как в фильме «Люди в черном».

Рис. 2.1 / Задача 2.1

Эффект земной подушки связан с прохождением потока воздуха под днищем автомобиля. Когда воздух сжат в небольшом пространстве под машиной, его скорость увеличивается, а давление, согласно уравнению Бернулли, понижается. Значит, давление воздуха под машиной меньше, чем над ней, и эта разность давлений прижимает машину к треку. Во время гонки водитель может уменьшить тормозящее машину сопротивление воздуха, следуя вплотную за другой машиной. Это называется создать тягу. Однако машина-лидер нарушает установившийся поток воздуха и под преследующей ее машиной, ослабляя эффект земной подушки. Если водитель, преследующий лидера, не учтет этого и не снизит скорость, столкновение с ограждением трассы ему гарантировано.

«Чапарраль 2J» — одна из ранних моделей гоночных машин, которая использовала эффект земной подушки. В задней части у нее имелись два вентилятора, которые откачивали воздух, попадавший под автомобиль через зазор между его днищем и дорогой. С двух сторон низ кузова был окружен «юбками», почти касавшимися дороги и затруднявшими попадание воздуха сбоку в поток под днищем. Низкое давление под машиной удерживало ее на треке при быстрых поворотах, к тому же выходящий из вентиляторов воздух препятствовал образованию вертикальных вихрей позади машины, уменьшая аэродинамическое сопротивление при движении. В результате машина достаточно быстро ехала по прямым участкам трассы, а на поворотах ей просто не было равных. Эта машина была настолько хороша, что ей было запрещено участвовать в гонках.