Конкурс: Резвее звука?
Наибольшая скорость машины вырастает с повышением мощности мотора. Но что будет с ней, если мощность увеличивать нескончаемо? В этом сущность задачки. Чтоб несколько ограничить вашу фантазию, приняли такие условия: машина вэдовая, с полной массой 1500 кг, площадью передней проекции 1,9 м2 и коэффициентом аэродинамического сопротивления 0,3. Стремясь избежать ненадобных споров, договорились, что крепкость шин, коробки и т. д. для таких смелых тестов достаточна.
Естественно, скептики гнули свое: «Под капот легковушки тыща лошадок не влезет». Либо: «Бросьте, на таких скоростях неважно какая машина рассыплется!» Стоило ли присылать такие ответы?! Слава богу, скептиков оказалось малость.
Да, таких массивных авто движков нет, но фантазия на что? Ракетчики уже издавна оперируют мощностями в миллионы кв, а в условии совсем не сказано, что мотор от «Запорожца». Что все-таки ограничивает скорость? Оказывается, почти все. К примеру, одной только прочности шин на разрыв не достаточно: случись в их массивные резонансные колебания, приводящие к отскоку протектора от покрытия, – ехать станет нереально. Фаворит конкурса припоминает и о другом: история рекордов скорости на суше нередко пишется кровью! Так, если сумма поперечных аэродинамических сил (к примеру, от бокового ветра) действует впереди точки нейтральной поворачиваемости автомобиля, то его может скинуть с дороги и случайный порыв. Предложения читателей использовать реактивную тягу от этой трудности не избавляют: контакт машины с дорогой, ее устойчивость, маневренность обеспечивают колеса, которые катятся по своим законам.
Вспомним и об управлении. Положим, коэффициент сцепления шин с покрытием равен 0,9 – как в ответе фаворита конкурса. Означает, боковое ускорение машины не должно превысить 0,9g = 8,83 м/с2, по другому даже на плавном, радиусом 1000 м, повороте уже при скорости 338 км/ч машину сорвет с трассы. Чтоб избавиться от этого ограничения, кузов конструируют таким, чтоб аэродинамические силы прижимали машину к дороге, а на извиве трассы дорожное полотно наклоняют к центру поворота.
Большая часть ответивших сообразили, что дело, как обычно, в балансе тяговых сил и сил сопротивления. 1-ые ограничены весом автомобиля: если колеса шлифуют дорогу даже на высшей передаче, сцепные характеристики шин падают, и предстоящий разгон проблематичен. А 2-ые зависят от скорости машины, другими словами от мощности мотора. Составить нехитрое уравнение может каждый. Но встречались и чудаки, забывавшие о необходимости контакта шин с покрытием, – они вычисляли скорость, исходя только из аэродинамики! При таком подходе несложно разогнаться хоть до скорости звука, но, как досадно бы это не звучало, на бумаге. Один энтузиаст «достиг» аж 608 м/с – и только здесь сообразил, что «едет» не туда.
Итак, у нас авто 4х4. В разработке тяговой силы участвует полный вес: F = m.g.μ;, где m = 1500 кг, g = 9,81 м/с2, а μ – коэффициент сцепления шин с покрытием. Фаворит принял его равным 0,9, отсюда F = 13 243 Н. За вычетом 1% на преодоление сопротивления шин остается 13 111 Н. Большей тяги, не привлекая прижимающую силу, не получить. Вот это главный момент.
Тяговая сила должна противостоять аэродинамическому сопротивлению Fw = 0,5.Cx.S.ρ.v2, где v – скорость в м/с; Cx = 0,3; S = 1,9 м2. Плотность воздуха ρ примем равной 1,2 кг/м3, как у фаворита. Тогда тяга Fw = 13 111 Н позволит достигнуть чуток больше 700 км/ч. Но это только при условии отсутствия прижимающей либо подъемной сил.
Мы высоко оценили инициативу Сергея Корженовского, несколько расширившего задачку: «На практике автомобиля с нулевой подъемной силой не существует». Последняя рассчитывается с внедрением коэффициента подъемной силы Сz – по аналогии с Fw. Итог показан на графике, построенном победителем: он исходил из того, что мощность мотора – около 10 000 л.с. На вертикальной оси шкала скоростей, на горизонтальной – значения Сz: слева отрицательные (прижимающая сила), справа положительные (подъемная сила). Верхняя кривая на графике указывает способности вэдового автомобиля, нижняя относится к машине с приводом на одну ось (нагрузка на нее – 60% полного веса авто).
Как видно из графика, этот привесок, другими словами прижимающая сила, вершит революцию в высокоскоростных показателях машины. При Cy = – 0,175 и скорости 950 км/ч действует дополнительная прижимающая сила, равная приблизительно 13 900 Н – условно сцепной вес авто стал практически в два раза больше и достигнул 28 615 Н. Выходит, можно воплотить тяговую силу 25 753 Н при силе сопротивления воздуха около 23 816 Н.
Вот что означает верная аэродинамика: чем посильнее придавливает машину к дорожному полотну поток воздуха, тем огромные скорости ей доступны, тогда и только бы «силенок» хватило. Так, по расчетам фаворита, для заслуги 1000 км/ч нашему авто будет нужно мотор мощностью выше 10 000 л.с. Поршневой движок таковой мощности раздавит машину своим весом. Непопросту рекорды скорости устанавливали на реактивной тяге.
Ну а если автомобиль приподнимает подъемная сила, максимально вероятная скорость, естественно, понижается. Вэдовая машина полностью употребляет собственный сцепной вес, а задне- либо переднеприводная – только часть его. Отсюда их более умеренные динамические характеристики.
В собственном письме фаворит выделил то, что должны осознавать все рекордсмены: если по достижении определенной скорости машина, недостаточно прижатая к покрытию, начнет его шлифовать, то это грозит потерей курсовой стойкости. Аэродинамическое сопротивление начнет действовать несимметрично и в итоге может перевернуть автомобиль, оторвать его от трассы. Катастрофа неизбежна. Вот почему так небезопасны пробы побить «наземный» рекорд скорости. И не стоит мыслить, что все наши рассуждения относятся к области незапятнанных фантазий. По ту сторону окон зима, гололедь. Когда сцепление шин с поверхностью ничтожно, автомобиль просто теряет устойчивость и перестает слушаться руля и при значительно более умеренных скоростях!
Мы поздравляем Сергея Корженовского с победой в этом туре конкурса!