Текст книги "Безопасное вождение современного автомобиля"

Физика движения
(О том, какие силы действуют на ваш автомобиль)

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. Дело 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.

Рис. 14. Казалось бы, все просто: на дуге поворота противодействуют две силы: одна пытается вытолкнуть автомобиль с желаемой траектории, другая противодействует этому. Но этих знаний явно недостаточно, чтобы безопасно проходить повороты

Автомобиль, превысивший скорость на повороте, как мы уже знаем, вылетает с дороги в кювет или на встречную полосу. 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 больше изменения в характере движения мы хотим от массы, тем большую силу требуется приложить. Это понятно. Вес груженого автомобиля составляет как минимум одну тонну или чуть больше. Действительно, если взять даже маленькую малолитражку, то с четырьмя пассажирами на борту она будет весить именно столько. Автомобили среднего и представительского класса весят уже около двух тонн, а внедорожники легко тянут на три – три с половиной тонны. Так представьте себе этот вес, покоящийся на четырех пружинах подвески. Понятно, что он будет неустойчив, то есть обязательно захочет крениться.

Рис. 15. Грамотный водитель автомобиля умеет балансировать весом автомобиля, делая перемещение веса своим союзником

Почему одна сторона кузова 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 на повороте – это самое простое, натуральное и понятное движение кузова автомобиля относительно его колес. Самое главное – понять, что в результате перемещения веса в сторону внешних колес на повороте на них начинает давить большая сила. Означает ли это, что их сцепление с покрытием дороги увеличивается? Конечно да! Но вес, давящий на внутренние колеса, уменьшился, так как часть его перешла на наружную сторону. Произошло динамическое перемещение веса. Значит, сцепление внутреннего колеса с покрытием дороги уменьшилось. А может быть, это колесо даже оторвалось от земли и крутится по воздуху. 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 поворотах. Их амортизаторы оснащены специальной гидравлической системой, управляемой электроникой, которая дает команды поднимать внешнюю сторону кузова на поворотах.

При резком старте капот автомобиля приподнимается. Это видит водитель со своего места, а 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 %, а ускорение за 0,5 G, что соответствует ускорению 18 км/ч, то задняя часть автомобиля станет на 15 % тяжелее. Немного? Да, но эффект от этого большой! На заднеприводных автомобилях он выражается в лучшем старте машины с места за счет, понятно, большего давления на ведущие колеса, а значит, улучшения их сцепления с дорогой. Значит ли это, что, если водитель прибавляет газ во второй половине поворота, за счет улучшающегося сцепления задних колес машина будет устойчивей? Разумеется да. Но не надо забывать, что переднеприводник за счет разгрузки передних колес будет хуже стартовать, да и на повороте любое прибавление газа уменьшает сцепление его ведущих колес. При торможении (возьмем пример с замедлением в 9,81 м/сек²) перемещение веса приобретает поистине драматический характер. Например, на переднеприводном автомобиле, где мотор с коробкой передач находятся спереди (а это дополнительный вес на переднюю ось), 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 % от всего веса автомобиля. Если просто резко отпустить педаль газа, то вес так же переместится вперед, разгружая 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 длинный хвост машин, да слишком поздно включил пониженную передачу, то есть перешел с четвертой на третью. Это я подметил сразу. И вот мы попадаем в аварийную ситуацию: расстояние между машинами справа не позволяет ему втиснуть машину, а спереди на нас неотвратимо надвигается крутой правый поворот. Приятель решил, что успеет обогнать следующие две машины и юркнуть в то спасительное свободное место, что было перед ними. Почти успел, но его возвращение в правый ряд после обгона практически совпало с началом поворота. Он резко бросил газ и … как только начал поворачивать руль, наш 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 на поворот, как поступают, увы, в любой аварийной ситуации большинство водителей (а среди них многие считают себя ассами), шанс на выход 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 окончательно не потерять машину. Понятно, что шины задней оси потеряли сцепление из-за резкого перемещения веса. Замедление было вызвано сбросом газа, вызывающим перемещение веса вперед.

Поворот руля вызвал перемещение веса на внешние колеса. 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. Идеальная ситуация, в результате которой автомобиль едва ли не всегда норовит выйти из-под контроля. Водитель хотел изменить направление, то есть во что бы то ни стало заставить машину повернуть, в то время когда она опиралась практически всем своим весом на одно единственное внешнее к повороту 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. Это было попыткой нарушить законы физики, что невозможно. Что же произошло, когда водитель прибавил газ? Вес перераспределился назад, и задние колеса обрели сцепление (внешние больше, внутренние меньше), что и остановило начинающийся занос задней оси. Прибавляя газ, водитель чисто интуитивно несколько повернул руль обратно – «распустил» машину, то есть еще и добавил нагрузки на внутренние к повороту колеса. 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, которое меняет или перераспределяет сцепление между каждой из четырех шин. По этой причине мы и разобрали так подробно, казалось бы, обычную аварийную ситуацию. Кто бы ни попадал в подобные передряги, описывал потом происшествие примерно так: «… а потом мою машину внезапно кинуло в сторону, и я вылетел с дороги: просто не повезло!»

А теперь двинемся дальше, понимая, что все, что мы уже узнали о физике движения и что предстоит узнать, крайне важно. Конечно, обычный водитель не сможет так филигранно заправлять свой автомобиль на повороты с головокружительной скоростью, как автогонщик, умело использующий перемещение веса в свою пользу. Но знать элементарные законы физики, сопровождающие автомобиль в движении, он обязан. Иначе ему не овладеть высшим искусством управления автомобилем.

Если представить себе, что нам предстоит ездить по абсолютно гладкой поверхности, например такой, как сукно бильярдного стола или поверхность ледяного катка, то о вертикальном перемещении веса нашего 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. Представим себе такую ситуацию: ваша машина въехала с большой скоростью на бугор. Кузов устремляется вверх, подвеска разгружается, и в этот момент вы решили 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, и поэтому называются такие неровности трамплинами.

На поведение автомобиля на повороте, говоря простым языком – на его устойчивость, оказывает влияние также и принцип конструкции 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 осями. Само собой разумеется, автомобили с современными многорычажными подвесками охотнее исполняют волю водителя на поворотах, чем те, у которых подвески устаревшего образца. Но это чисто технические причины. Огромную роль играет и величина сил, действующих на машину на поворотах. 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, есть 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 шины, передние или задние, начнут терять сцепление первыми. Это очень важный вопрос. Помните, что мы говорили про снос или занос? Если скользят передние шины, то это снос или недостаточная поворачиваемость. Если задние, то мы имеем дело с заносом, и это называется избыточной поворачиваемостью. Если скользят все четыре шины одновременно – это нейтральная поворачиваемость. Понятно, что последний вариант предпочтительнее, так как он не предусматривает вращение автомобиля вокруг вертикальной оси. А теперь дело представим таким образом, если автомобиль поворачивает на повороте, когда водитель не крутит руль, а ведет машину по дуге, с прибавлением газа, то 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 на повороте. Представим себе, что водитель повернул колеса на повороте на определенный угол. На маленькой скорости машина пошла по заданному радиусу. Если описать окружность, то она будет иметь свой определенный диаметр, независимо от того, сколько кругов по ней накатать (угол поворота колес остается неизменным). Увеличим скорость и увидим, что диаметр нашей окружности начал увеличиваться. Это увеличение вызывает увод шин, направление пятна контакта с покрытием площадки начало смещаться относительно диска колеса. Простыми словами, направление шины стало отличаться от направления диска колеса. Или можно еще и так: теоретическое направление качения шины стало отличаться от реального, заданного определенным поворотом руля. Именно этот угол, определяющий разницу теоретического и реального направления шины, и показывает величину увода, который привел к увеличению радиуса нашей окружности. Поедем еще быстрее. В какой-то момент сцепление шин достигнет критического значения, и они начнут скользить. Одновременно все четыре? Это было бы не самым худшим вариантом, так как в этом случае скольжение просто еще больше увеличит диаметр окружности, но не вызовет вращение автомобиля вокруг вертикальной оси. Такое поведение автомобиля в момент потери сцепления 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 их поведение на больших скоростях на поворотах. Итак, это оптимальный вариант. 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 у задних. Машина перестанет слушаться повернутых передних колес и будет стремиться уйти от нашей окружности по касательной. Правильно! Это типичный пример сноса передней оси, и мы об этом уже говорили. Теперь мы 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, разворачивая ее носом к вершине поворота. Смоделировать различные проявления поворачиваемости можно на площадке на одном и том же автомобиле. Для этого перед началом движения по нашей окружности надо сначала спустить наполовину давление в передних шинах, чтобы они быстрее потеряли сцепление и начался снос передка. Затем восстановить давление в передних шинах и спустить наполовину в задних, что вызовет занос. Понятно? Но не понятно, зачем это знать обычному водителю? Объясню! Любой автомобиль с нормальной загрузкой и среднем сцеплении шин будет запрограммирован на определенное поведение в критической ситуации на повороте, когда водитель перебрал со скоростью. Предположим, если речь идет о переднем приводе – проявится недостаточная поворачиваемость. Тот же самый автомобиль, но уже при других условиях, например с полной загрузкой и на скользком покрытии, при превышении критичной скорости продемонстрирует избыточную поворачиваемость, если задний привод. Но может быть и наоборот, суть не в этом. Главное – понять, что водителя, который не знает, как поведет себя его автомобиль в критической ситуации и какие ответные действия помогут ему не потерять контроль над ситуацией, ни в коем случае нельзя назвать безопасным. Такой водитель запрограммирован на аварию, как только ситуация будет выходить из-под контроля. Водитель обязан точно знать, что может случиться на дороге и как с этим бороться. Что касается поворачиваемости в общем, справедливыми будут такие характеристики:

а) передний привод: недостаточная поворачиваемость с тенденцией скольжения передних шин на повороте. Противодействие: точка входа раньше, особенно на дожде;

б) избыточная поворачиваемость: склонность задней оси к развороту. Плавный поворот руля и строго дозированное прибавление газа на повороте.

Понятно, что конструкторы автомобилей стараются изо всех сил придать своим творениям нейтральные качества поведения в критических ситуациях. Именно это имеют в виду журналисты, описывая после проверки тест-драйвом норов какой-нибудь автомобильной новинки, сообщая читателю: «Управляемость выше всяких похвал». Но не будем спешить с выводами. Отнюдь не все производители вживляют в свою продукцию характер нейтральной поворачиваемости. Возьмем спортивные модели BMW и «порше». Как максимально застраховаться от неумелых действий недостаточно опытных водителей за рулем мощного и быстроходного автомобиля, которые почти наверняка рано или поздно сами создадут все условия для возникновения аварийной ситуации? Скорее всего, это будет выглядеть таким образом: влетая на поворот с завышенной скоростью, неопытный водитель испугается, резко бросит педаль газа и еще круче повернет руль, а может, и вдарит по тормозной педали что есть мочи, что вызовет занос задка. На поверхности лежит готовое противоядие: инженеры стараются придать спортивным автомобилям, которые есть в свободной продаже, склонность к недостаточной поворачиваемости, по крайней мере в первый момент скольжения шин. Такой характер поведения автомобиля будет несколько противостоять склонности к заносу задней оси в данных условиях. Но в целом заднеприводные автомобили могут сохранять нейтральную поворачиваемость в начале скольжения (или недостаточную, как в приведенном здесь примере), что в предельных режимах все равно выльется в избыточную поворачиваемость или занос. Точно так же переднеприводные 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 или изменить настройки подвесок, чтобы добиться желаемой управляемости. Почему же подавляющее большинство обычных водителей не желают проверить, как поведет себя их автомобиль в критической ситуации? Настоятельно рекомендую всем водителям, как только выпадет первый снег, потренироваться на подходящей площадке. Советы, как это сделать, вы найдете в главе о езде в зимних условиях, а описание упражнений – в конце книги.

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 шины действуют силы отрицательного продольного ускорения, то есть торможения, бокового ускорения на повороте, да еще и вертикального, так как машину подбросило на холме. Причем не строго по указанным векторам, а во всех направлениях. Силы, действующие на шину на повороте, можно представить в виде графического изображения, но сначала, чтобы лучше понять график, рассмотрим такой пример. Представьте себе, что хозяйка налила вам тарелку борща на кухне и вам следует проследовать с ней в столовую. «Хорошо, что еще не до краев налила!» – бормочете вы и 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 и запас сцепления шин устремляется вперед и вправо при торможении и повороте влево на нашем графическом изображении. Посмотрите, как только вы снова пошли, суп устремился назад, точно так же как у автомобиля, трогающегося с места, загружается задняя ось, из-за чего сцепление задних шин возрастает.

Первым предложил использовать окружность для графического изображения работы шины на повороте профессор Вунибальд Камм (1893–1966). Ученый работал в техническом университете города Штутгарта, что в Германии.

Скорее всего, прежде чем господин Камм пришел к выводу, что можно графически изобразить запас сцепления шины на повороте, он так же покружил с тарелкой супа в руках. Только это был не борщ, а немецкий «айнтопф», но на результаты эксперимента это не повлияло. Итак, силы, действующие на шину на повороте, можно изобразить векторами. Эта сила может быть большой, средней или нулевой. Измерять ее сейчас нет никакой необходимости, для нашего графика это неважно. Важно только, что длинная стрелка изображает «максимум», половина стрелки – «середину максимума» и ноль – «ничего». Направление стрелки возможно в любую сторону, поэтому обведем вокруг окружность. 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. 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 на 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 на повороте.

Рис. 16. Окружность профессора Камма наглядно демонстрирует, как работает шина при прохождении поворота

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. 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 наш борщ выплеснется из тарелки!