2. Физика движения

Прежде чем приступить к выполнению упражнений, нам просто необходимо уяснить основные законы движения автомобиля, то есть физику движения. Иной читатель скажет, что такие тонкости знать не обязательно, чтобы добраться из пункта «А» в пункт «Б». Не соглашусь. Парадокс в том, что в аварии попадают и те водители, которые ездят медленно и аккуратно. Водить машину надо уметь. Скажем по-другому: любой уважающий себя мужчина просто обязан уметь отлично водить машину! Это позволяет испытать новые ощущения, а удовольствие, которое дарит полный контроль над машиной во время прохождения скоростного поворота, просто неописуемо.

Позвольте, зачем мчать, рискуя жизнью? Это профессиональная автогоночная тайна. Но я решил объявить наконец, зачем гонщик садится за руль скоростного болида. Однажды настырная молодая журналистка после финиша пытала гонщиков: «Любому ясно, что гонки – это опасно, зачем же вы гоните?» Пилоты, смущаясь, с улыбками на добродушных, но волевых лицах, пытались как-то мотивировать свое безрассудство. Получалось неубедительно. Никто не хотел признаваться, что испытывает на гонках буквально неземное удовольствие. Выходило неубедительно, пока один из гонщиков вдруг не прошептал журналистке на ушко: «Гонки выше секса». От неожиданности диктофон выпал из тонких девичьих рук. Все девушки обожают, когда их катают автогонщики. Одни не понимают, почему это им так нравится, а другие боятся признаться в своих эротических ощущениях на входе в поворот.

Но хватит шутить, перейдем к делу.

Автомобиль, превысивший скорость в повороте, как мы уже знаем, вылетает с дороги в кювет или на встречную полосу.

Рис. 7. Кузов расположен на пружинах, которые могут сжиматься и разжиматься. Крен автомобиля в повороте – это самое простое смещение кузова автомобиля относительно его колес. Главное – понять, что на вираже в результате перемещения веса в сторону внешних колес на них начинает давить большая сила

Я обязательно подробно расскажу и приведу упражнения, как водить машину таким образом, чтобы не попадать в подобные ситуации, но сначала рассмотрим силы, действующие на автомобиль в критических ситуациях. Любое движущееся тело, а в нашем случае это автомобиль, имеет свою массу. Для замедления или изменения направления движения этой массы к ней требуется приложить силу. Чем кардинальнее мы хотим изменить характер движения массы, тем большую силу требуется приложить. Это понятно. Вес груженого автомобиля составляет, как минимум, одну тонну или чуть больше. Действительно, даже «малолитражка» с четырьмя пассажирами в салоне будет весить именно столько. Автомобили среднего и представительского класса весят уже около двух тонн, а внедорожники – три-три с половиной тонны. Представьте себе этот вес покоящимся на четырех пружинах подвески. Понятно, что он будет неустойчив, то есть обязательно захочет крениться. Почему при движении одна сторона кузова автомобиля поднимается, то есть движется вверх, в то время как противоположная опускается, то есть движется вниз, понять крайне просто. Дело в том, что кузов расположен, как мы отметили, на пружинах, которые могут сжиматься и разжиматься. Крен автомобиля в повороте – это самое простое смещение кузова автомобиля относительно его колес. Главное – понять, что на вираже в результате перемещения веса в сторону «внешних» колес на них начинает давить большая сила. Означает ли это, что сцепление «внешних» колес с покрытием дороги увеличивается? Конечно да! Но при этом вес, давящий на «внутренние» колеса, уменьшается. Происходит динамическое перемещение веса. Таким образом, сцепление «внутренних» колес с покрытием дороги уменьшается. Вполне возможно, что «внутреннее» колесо отрывается от земли и крутится в воздухе.

Крен автомобиля зависит от расположения его центра тяжести, ширины шин, жесткости амортизаторов и конструкции подвесок. Например, мы хорошо видим по телевизору, что болиды «Формулы-1» практически не кренятся даже на огромных скоростях на поворотах. Они сконструированы специально для движения с огромной скоростью, и хотя динамическое перемещение веса у них происходит точно так же, как и у обычного автомобиля, крен почти не виден. Это объясняется короткоходной подвеской, очень широкими колесами, жесткими пружинами и работой специальных приспособлений, которые называются стабилизаторами поперечной устойчивости. Из названия понятно, что они как раз и придуманы, чтобы не давать кузову крениться. Точно такие же приспособления имеются практически на всех обычных городских автомобилях и вседорожниках. Только они, конечно, не могут быть такими жесткими, как на гоночных и спортивных машинах. «Гражданские» машины должны быть комфортабельными, а это означает, что их пружины и стабилизаторы подбираются так, чтобы обеспечить мягкость кузова на неровностях. Да и шины у них не такие широкие, и центр тяжести из-за большого дорожного просвета расположен значительно выше. Хотя уже появились и «гражданские» машины, которые почти не кренятся на виражах. Их амортизаторы оснащены специальной гидравлической системой, которая управляется электроникой, по команде поднимающей внешнюю сторону кузова на поворотах.

При резком старте капот автомобиля приподнимается. Это видит водитель со своего места. На самом деле приподнимается вся передняя часть машины, передние пружины разгружаются, и вес перемещается назад. Задние пружины сжимаются, и «задок» автомобиля приседает. Как и в случае с поперечным креном, масса автомобиля остается при этом неизменной, и мы говорим только о динамическом, то есть довольно кратковременном, перемещении веса. Насколько сильно перемещается вес? Если принять статический вес (он же будет равен динамическому весу) всего автомобиля за 100 процентов, а ускорение за 0,5 G, что соответствует ускорению 18 км/ч, то задняя часть автомобиля станет на 15 процентов тяжелее. Немного? Да, но эффект от этого большой! Заднеприводные автомобили благодаря этому лучше стартуют с места за счет большего давления на ведущие колеса, а следовательно, улучшения их сцепления с дорогой. Значит ли это, что, если водитель прибавляет газ во время прохождения второй половины поворота, машина будет устойчивей за счет улучшающегося сцепления задних колес с дорожным покрытием? Разумеется да. А «переднеприводник», за счет разгрузки передних колес, будет хуже стартовать, и на вираже из-за любого прибавления газа уменьшается сцепление его ведущих колес с дорогой. При торможении (возьмем пример с замедлением в 9,81 м/сек²) перемещение веса приобретает поистине драматический характер. У переднеприводного автомобиля, в котором мотор с коробкой передач находятся спереди (а это дополнительный вес на передней оси), при торможении задние колеса разгружаются настолько сильно, что малейший поворот руля вызывает их занос. Это и понятно, так как в этот момент на задние шины давит всего 12 процентов от веса автомобиля. Если просто резко отпустить педаль газа, то вес также переместится вперед, и разгрузятся задние колеса.

Да, мы чуть не забыли про вертикальную ось. Если просверлить машину насквозь через крышу до самой дороги, пройдя через центр тяжести, то это и будет вертикальная ось. В момент заноса машина начинает вращаться вокруг этой вертикальной оси. Для большинства водителей такая ситуация оказывается чаще всего полной неожиданностью.

Однажды мой приятель захотел прокатить меня с ветерком на своей новой машине, а заодно (как я потом понял) и удивить своим мастерством вождения на загородном шоссе. Он без промедления ринулся обгонять вереницу машин, но слишком поздно включил пониженную передачу, то есть перешел с четвертой скорости на третью. Это я подметил сразу. И вот мы попадаем в аварийную ситуацию: в правый ряд втиснуться невозможно, а спереди на нас неотвратимо надвигается крутой правый поворот. Приятель решил, что успеет обогнать еще две машины и юркнуть на спасительное свободное место. Почти успел, но его возвращение в правый ряд после обгона практически совпало с началом поворота. Он резко бросил газ и… Как только он начал поворачивать руль, автомобиль поплыл задней осью в сторону. «Газу! Газу!» – закричал я что есть мочи, и это подействовало. Мой приятель подчинился и кое-как «поймал» вышедшую из-под контроля машину. Это характеризует его как раз как довольно неплохого водителя. Если бы он начал тормозить в этот критический момент на входе в поворот, как поступают, увы, в любой аварийной ситуации большинство водителей (а среди них многие считают себя асами), шанс благополучно выбраться из этой экстремальной ситуации был бы сведен к нулю.

Разберемся, какие силы действовали в этот критический момент на машину и как удалось изменить их «расстановку», чтобы избежать беды. Понятно, что задние колеса потеряли сцепление с дорожным покрытием из-за резкого перемещения веса вперед, вызванного сбросом газа. Поворот руля привел к перемещению веса на «внешние» колеса.

Рис. 8. Если просверлить машину насквозь через крышу до самой дороги, пройдя через центр тяжести, то это и будет вертикальная ось. В момент заноса машина начинает вращаться вокруг этой вертикальной оси

Это означает, что давление на определенные колеса изменилось, следовательно, изменилось и их сцепление с дорогой. В нашем случае перемещение веса шло одновременно в двух направлениях: продольном и поперечном. В такой ситуации автомобиль почти всегда норовит выйти из-под контроля. Водитель хотел изменить направление движения автомобиля, то есть во что бы то ни стало повернуть машину, в то время, когда она опиралась практически всем своим весом на одно-единственное «внешнее» переднее колесо. Как мы уже знаем, для замедления или изменения направления движения массы автомобиля к ней требуется приложить силу. Но площади контакта с дорогой одного-единственного колеса для того, чтобы эта сила подействовала, явно недостаточно. Что же произошло, когда водитель прибавил газ? Вес перераспределился назад, и задние колеса обрели сцепление с дорогой («внешнее» больше, «внутреннее» меньше), что и остановило начинающийся занос задней оси. Прибавляя газ, водитель чисто интуитивно несколько повернул руль обратно – «распустил» машину, то есть добавил нагрузку на оба «внутренних» колеса.

Рис. 9. Типичная ошибка водителя-новичка, решившего быстро, по-гоночному пройти поворот. Когда на выходе из поворота горе-водитель понимает, что он либо переборщил со скоростью, либо идет по неверной траектории, он резко сбрасывает газ или, что еще хуже, тормозит. В результате автомобиль разворачивается поперек дороги

И поступил абсолютно правильно. Если бы на его месте был автогонщик, он поступил бы точно так же. Вся разница лишь в том, что автогонщик точно знает, как его автомобиль будет реагировать на перемещение веса, а обычный водитель ни о каком перемещении веса и не догадывается. А любое изменение направления или характера движения, как мы уже знаем, будь то ускорение или замедление, поворот налево или направо, обязательно сопровождается перемещением веса, из-за чего меняется или перераспределяется сцепление с дорогой каждой из четырех шин. Кто не попадал в подобные передряги, описывая потом происшедшее примерно так: «А потом мою машину внезапно кинуло в сторону, и я вылетел с дороги: просто не повезло»? По этой причине мы и разобрали так подробно эту аварийную ситуацию.

Конечно, обычный водитель не сможет так филигранно «заправлять» свой автомобиль в повороты с головокружительной скоростью, как автогонщик, умело использующий перемещение веса в свою пользу. Но знать элементарные законы физики движения автомобиля он обязан. Иначе ему не овладеть высшим искусством управления автомобилем.

Если вам предстоит ездить по абсолютно гладкой поверхности, например такой, как сукно биллиардного стола или поверхность ледяного катка, то о вертикальном перемещении веса вашего автомобиля говорить не придется. На самом деле мы встречаем на дорогах массу неровностей. Это волнистый асфальт, бугры, крутые подъемы и спуски, ямы и другие неровности. Всего перечисленного с лихвой хватает на наших шоссейных дорогах и автострадах.

Рис. 10. Любое изменение направления или характера движения, будь то ускорение или замедление, поворот налево или направо, обязательно сопровождается перемещением веса, из-за чего меняется или перераспределяется сцепление с дорожным покрытием каждой из четырех шин

Представим себе такую ситуацию: ваша машина въехала с большой скоростью на бугор. Кузов устремляется вверх, подвеска разгружается, и в этот момент вы решаете изменить направление движения. Это ошибка. Именно в это мгновение контакт шин вашего автомобиля с дорогой очень слабый. А вот буквально через секунду, когда кузов автомобиля опустится, шины вновь обретут сцепление, причем еще большее, чем до подскока. Объяснять, почему это так, нет необходимости, и так все понятно. В этот момент машина чутко откликнется на поворот руля. Раллисты очень хорошо изучили, как ведет себя автомобиль на буграх. Они проносятся по ним с такой скоростью, что автомобиль взлетает высоко в воздух; поэтому такие неровности называются у них не иначе, как трамплины.

На поведение автомобиля в повороте, говоря простым языком, на его устойчивость, оказывает влияние также и конструкция автомобиля: передний, задний или полный привод, расположение двигателя (переднее, заднее, среднее). Важную роль играет и развесовка машины, то есть в какой пропорции вес распределяется между передней и задней осью. Само собой разумеется, что автомобили с современными многорычажными подвесками охотнее слушаются водителя на виражах, чем те, у которых подвески устаревшего образца. Но это чисто технические причины. Огромную роль играет и величина сил, действующих на машину при прохождении поворотов. Водители, не вникая в подробности, говорят в данном случае о том, как держат шины – хорошо или плохо. Влияет на устойчивость и дополнительный вес: едет ли водитель один или с пассажирами, везет ли тяжелый багаж, много ли топлива в баке. Ускорение на повороте, конструкция подвесок машины, давление в шинах, торможение – все это может самым непосредственным образом повлиять на то, какие колеса, передние или задние, начнут терять сцепление с дорогой первыми. Это очень важно. Помните, что мы говорили про снос и занос?

Рис. 11. «Настоящие проблемы начинаются, когда все четыре колеса оказываются в воздухе. Пока хотя бы одно колесо касается дороги, водитель не только должен, но и обязан управлять машиной» (Владислав Барковский, автогонщик и каскадер)

Если скользят передние колеса, то это снос, или недостаточная поворачиваемость. Если задние, то мы имеем дело с заносом, и это называется избыточной поворачиваемостью. Если скользят все четыре колеса одновременно – это нейтральная поворачиваемость. Понятно, что последний вариант предпочтительнее, так как при этом автомобиль не вращается вокруг вертикальной оси. Итак, если автомобиль поворачивается на вираже, водитель не крутит руль, а ведет машину по дуге с прибавлением газа, то такое поведение машины и будет называться поворачиваемостью. Рассмотрим более подробно, что это такое.

Сначала – небольшой экскурс в теорию движения автомобиля, вернее, в тот подраздел, где рассматривается увод колес при прохождении поворота. Представим себе, что водитель повернул колеса на повороте дороги на определенный угол. На маленькой скорости машина пошла по заданному радиусу.

Рис. 12. Если скользят задние колеса, то мы имеем дело с заносом, и это называется избыточной поворачиваемостью

Если описать условную окружность, то она будет иметь определенный диаметр независимо от того, сколько кругов по ней накатать (угол поворота колес остается неизменным). Увеличив скорость, мы увидим, что начал увеличиваться диаметр нашей окружности. Это увеличение вызывает увод колес, при котором направление пятна контакта шин с покрытием дороги смещается относительно диска колеса. Проще говоря, направление движения шины стало отличаться от направления движения диска колеса. Можно сказать и так: теоретическое направление качения шины стало отличаться от реального, заданного определенным поворотом руля. Именно эта разница, то есть угол между теоретическим и реальным направлением качения шины, и показывает величину увода колес, который привел к увеличению радиуса нашей окружности. Поедем еще быстрее. В какой-то момент сцепление шин с дорогой достигнет критического значения, и они начнут скользить. Одновременно все четыре? Это было бы не самым худшим вариантом, так как в этом случае просто еще больше увеличивается диаметр окружности, но автомобиль не вращается вокруг вертикальной оси. Такое поведение автомобиля в момент потери сцепления с дорогой и скольжения всех четырех шин и называют нейтральной поворачиваемостью. Ее характеризует то, что все четыре колеса имеют одинаковый угол увода. (Именно так стараются настроить свои болиды автогонщики, что позволяет им полностью контролировать поведение машин при прохождении поворотов на больших скоростях.)

На практике часто, увы, бывает по-другому. То передние колеса начнут скользить первыми, то задние. В первом случае угол увода передних колес будет больше, чем угол увода задних. Машина перестает реагировать на поворот передних колес и стремится уйти от нашей окружности по касательной. Это типичный пример сноса передней оси, и мы уже знаем, что такая неприятность называется недостаточной поворачиваемостью. Если первыми сорвутся в скольжение задние колеса, это вызовет избыточную поворачиваемость, которую характеризует больший угол увода задних колес, чем передних. Это классический пример заноса, когда «задок» машины норовит обогнать передние колеса; при этом автомобиль разворачивается «носом» к вершине поворота.

Рис. 13. Когда на вираже машина не реагирует на поворот передних колес, а идет прямо, это типичный пример недостаточной поворачиваемости

Рис. 14. Избыточную поворачиваемость вызывает скольжение задних колес, когда «задок» машины норовит обогнать передние колеса

Смоделировать различные проявления поворачиваемости можно на площадке на одном и том же автомобиле. Для этого перед началом движения по окружности надо сначала наполовину спустить давление в шинах передних колес, чтобы они быстрее потеряли сцепление с дорожным покрытием и начался снос «передка». Затем восстановите давление в шинах передних колес и спустите наполовину задние, что вызовет занос. Понятно? Но не понятно – зачем это обычному водителю? Объясню. Любой нормально загруженный автомобиль при хорошем сцеплении его колес с поверхностью дороги поведет себя определенным образом в критической ситуации на повороте, если водитель превысит скорость. Скажем, у переднеприводного автомобиля при этом проявится недостаточная поворачиваемость. Тот же самый автомобиль, но уже с задним приводом с полной загрузкой и на скользком покрытии при превышении критичной скорости продемонстрирует избыточную поворачиваемость. Но может быть и наоборот, суть не в этом. Главное понять, как поведет себя ваш автомобиль в критической ситуации и какие действия помогут вам избежать аварии. Водитель обязан точно знать, что может случиться на дороге и как с этим бороться. Именно этому можно научиться, внимательно изучив эту книгу и попрактиковавшись на подходящей площадке. Что касается поворачиваемости, запомните:

1) недостаточная поворачиваемость – это снос передней оси на вираже. Противодействие: раньше входить в поворот, особенно на мокрой дороге;

2) избыточная поворачиваемость – склонность задней оси к развороту. Противодействие: плавный поворот руля и строго дозированное прибавление газа на вираже.

Понятно, что конструкторы автомобилей стараются изо всех сил придать своим творениям нейтральные качества поведения в критических ситуациях. Именно это имеют в виду журналисты, характеризуя после тест-драйва норов какой-нибудь автомобильной новинки так: «управляемость выше всяких похвал». Но не будем спешить с выводами. Отнюдь не все производители «вживляют» в свою продукцию характер нейтральной поворачиваемости. Возьмем спортивные модели БМВ и «Порше». Как максимально застраховаться от неумелых действий за рулем мощного и быстроходного автомобиля недостаточно опытных водителей, которые почти наверняка рано или поздно создают все условия для возникновения аварийной ситуации. Вылетая на поворот дороги на высокой скорости, неопытный водитель, испугавшись, резко сбрасывает газ и сильнее выворачивает руль, а может и нажать на педаль тормоза что есть мочи, что вызовет занос «задка». Поэтому инженеры-конструкторы стараются придать серийным спортивным автомобилям склонность к недостаточной поворачиваемости, по крайней мере, в первый момент скольжения колес. В общей массе, заднеприводные автомобили могут сохранять нейтральную поворачиваемость лишь в начале скольжения, а глубокое скольжение все равно приведет к избыточной поворачиваемости или заносу. Переднеприводные же автомобили могут сначала в скольжении демонстрировать нейтральное поведение, но более глубокое скольжение все-таки закончится ярким проявлением недостаточной поворачиваемости или сносом.

Как и где проверить характер вашего автомобиля, его склонность к сносу и заносу? Для этого требуется площадка без ограждений, на которой можно безопасно выписывать окружность, как минимум, 100 метров в диаметре. Чтобы быстро ехать на гоночной машине, гонщик обязательно проверяет поведение своей машины на тренировках. Он может, применяя те или иные приемы пилотирования, влиять на поведение машины, а также изменить настройки подвесок, чтобы добиться желаемой управляемости. (Подробнее об этом см. в упражнениях 80 и 83.) Почему же подавляющее большинство обычных водителей не желают проверить, как поведут себя их автомобили в критической ситуации? Настоятельно рекомендую всем водителям, как только выпадет первый снег, потренироваться на подходящей площадке. Советы, как это сделать, вы найдете в этой книге.

А теперь поговорим о самом главном в физике движения. Все неприятности начинаются, когда на автомобиль действуют сразу несколько сил. Представьте себе такую ситуацию: автомобиль тормозит, потом поворачивает, причем вершина поворота находится на холме. Значит, на колеса действуют силы отрицательного продольного ускорения, то есть торможения, бокового ускорения при повороте и вертикального, так как машину подбросило на подъеме к вершине холма. Причем не строго по указанным векторам, а во всех направлениях. Силы, действующие на колесо на вираже, можно представить в виде графического изображения, но сначала, чтобы лучше понять график, представьте себе, что вы несете из кухни в столовую тарелку с супом. Вы внимательно смотрите на тарелку, чтобы не пролить суп. А он так и норовит пролиться через край по направлению вперед и влево. Стоп! Почему вперед и влево? Да потому, что вы только что затормозили в конце коридора и повернули вправо. Точно так же вес автомобиля перераспределяется вперед и вправо при торможении и повороте влево на нашем графическом изображении. Посмотрите, как только вы снова пошли, суп «устремился» назад; точно так же у автомобиля, трогающегося с места, загружается задняя ось, из-за чего сцепление задних колес с дорожным покрытием возрастает. Первым предложил использовать окружность для графического изображения работы колеса при повороте автомобиля профессор Штутгартского университета Вунибальд Камм (1893–1966).

Силы, действующие на колесо при повороте автомобиля, можно изобразить векторами. Эта сила может быть большой, средней или нулевой. Измерять их сейчас нет никакой необходимости: для нашего графика это неважно. Расстояние от центра до окружности изображает в данном случае максимальное боковое или продольное ускорение. Что происходит на линии окружности? Это и есть зона «турбулентности», здесь силы сцепления иссякают и уступают место силам скольжения (на рис. точка В). В этой зоне достигается максимальное сцепление шины с дорожным покрытием. Здесь шины находятся в состоянии контролируемой нестабильности. Окружность профессора Камма наглядно показывает, что тормозить и разгоняться в повороте можно, важно только правильно распределить соотношение сил продольных и поперечных ускорений. Скажу по секрету, что благодаря этой теории и была изобретена антиблокировочная система тормозов. Конечно, это голая теория, на практике все немного иначе, но она помогает понять, как работает шина в повороте.

Если мы пойдем несколько дальше, в третье измерение, то нам придется иметь дело с полусферой профессора Камма. Ее поверхность показывает вертикальное ускорение. Вспомним, что мы говорили о том, что вершина поворота может находиться на холме или на изломе. В этот момент машина станет легче, а вектор устремится в направлении поверхности полусферы, снижая сцепление шины с покрытием дороги. В этот момент способность шины поворачивать, разгоняться или тормозить сильно ограничена. А потом за разгрузкой подвески последует ее сжатие и неизбежно возникнет прижимная сила.

Рис. 15. На данной окружности Камма видно, что сцепления шины в точке «С» еще достаточно, но только на сухом покрытии. На мокрой дороге это означает вылет. Законы физики диктуют свои условия, и отменить их не сможет даже гений за рулем

В этот момент вес машины увеличится, сцепление шин улучшится. Как это изобразить графически? Очень просто – увеличением окружности, отодвигающей зону начала скольжения. И это самый подходящий момент чтобы, тормозить или поворачивать.

Подведем итог и суммируем вышесказанное. Управление автомобилем в движении создает силы, действующие на машину. Водитель может эти силы в процессе своей «борьбы» с дорогой и с машиной увеличивать или уменьшать, но они все равно будут соответствовать различным законам физики. Эти законы изменить нельзя. Физика движения объясняет все, что происходит с автомобилем на дороге. Грамотное управление автомобилем состоит в умении водителя понимать и не нарушать эти законы, а умело их использовать. Быстро, но безопасно ехать на автомобиле – это значит умело балансировать на границе окружности профессора Камма. А в балансе главное чувствовать перемещение веса и не перебарщивать с ним. Иначе суп выплеснется из тарелки!