Артём Градопольцев о граунд-эффекте. Секреты аэродинамики Формулы-1

Граунд-эффект стал основой для того, чтобы машины Формулы-1 достигали новых пределов скорости и маневренности, позволяя пилотам проходить повороты с огромной нагрузкой и при этом сохранять контроль над автомобилем. Это технологическое решение стало ключевым элементом, который привел к значительному увеличению устойчивости машин на трассе, особенно в самых сложных и быстрых участках гонки. В эпоху его внедрения он дал болидам уникальное преимущество: возможность увеличивать скорость прохождения поворотов без потери сцепления с трассой, что на фоне ограничений по мощности двигателей и других параметров сделало его настоящим «секретом» успеха.

Важность граунд-эффекта трудно переоценить, особенно если учитывать, как он повлиял на развитие всей аэродинамики болидов Формулы-1. До его появления проектировщики болидов сталкивались с рядом проблем в поиске оптимального баланса между аэродинамическим сопротивлением и прижимной силой. Граунд-эффект решил эти проблемы, продвигаясь далеко вперед, начиная с 1970-х годов, когда на гонках впервые появились болиды с использованием аэродинамических элементов, создающих прижимную силу, направленную вниз. Эффект прижимания позволил значительно повысить стабильность автомобиля на больших скоростях, а это, в свою очередь, открыло совершенно новые горизонты для пилотов, стремящихся улучшить свои результаты.

Интересно, что несмотря на то, что граунд-эффект стал основным аэродинамическим решением в 70-х и 80-х годах, его вклад в динамику гонок Формулы-1 не ограничивается только этим периодом. С течением времени технологии развивались, и граунд-эффект претерпел существенные изменения, сохраняя свою актуальность и оставаясь одним из краеугольных камней проектирования современных болидов. Эти изменения не только затронули аэродинамику, но и привели к созданию более эффективных и стабильных систем подвески, шасси и диффузоров, а также к глубоким изменениям в регламентах, регулирующих использование аэродинамических решений в гонках.

В этом обзоре автоспортивный обозреватель Артём Градопольцев расскажет о том, как принцип работы граунд-эффекта трансформировал не только саму Формулу-1, но и всю мировую автомобильную индустрию. Он поделится историей эволюции этой технологии, объяснит, как именно она влияет на поведение современных болидов, а также рассмотрит её важность в контексте современных достижений и решений, используемых в проектировании автомобилей для самых престижных и высокоскоростных гонок на планете.

Что такое граунд-эффект?

Граунд-эффект — это аэродинамическое явление, играющее решающую роль в поведении болидов Формулы-1 на трассе, благодаря которому автомобили приобретают дополнительные аэродинамические преимущества, позволяя развивать большие скорости и обеспечивая стабильность в сложных участках гонки. В основе этого эффекта лежит принцип увеличения прижимной силы (downforce), которая генерируется за счет взаимодействия воздушных потоков, проходящих под автомобилем, с его шасси и дорожным покрытием.

Когда болид Формулы-1 движется по трассе, воздух, обтекающий его кузов, распределяется по различным зонам, создавая на разных частях машины различное давление. Однако именно воздушный поток под шасси играет ключевую роль в формировании граунд-эффекта. В частности, этот поток ускоряется, проходя через специально спроектированные элементы, такие как диффузоры и боковые понтоны, что приводит к образованию зоны с низким давлением под машиной. В свою очередь, такой «вакуум» заставляет болид «прилипать» к дороге, фактически втягиваясь в поверхность трассы.

Основной эффект от этого явления заключается в значительном увеличении сцепления колес с дорогой. Увеличившаяся прижимная сила позволяет автомобилю гораздо более стабильно проходить повороты на высоких скоростях, не теряя контроля даже в самых напряженных участках. Это особенно важно в Формуле-1, где каждое доли секунды на счету, а высокоскоростные повороты являются одним из главных элементов, определяющих победителя гонки.

Сам принцип граунд-эффекта основывается на аэродинамическом законе: чем быстрее движется воздух, тем меньше создаваемое им давление. Под машиной, благодаря особенности её конструкции и геометрии, воздушный поток ускоряется, что и создаёт зону низкого давления. Этот эффект подобен тому, как работают крылья самолетов, только в данном случае он «переведен» в контекст наземного транспорта. Болид как бы «втягивается» в асфальт, а не поднимается в воздух, что делает его гораздо более устойчивым, чем в случае, если бы использовались традиционные способы увеличения прижимной силы, такие как исключительно задние антикрылья.

Когда машины Формулы-1 используют граунд-эффект, они не только получают большее сцепление с дорогой, но и могут сохранять свою маневренность на высокой скорости, что является ключевым фактором при прохождении поворотов. Особенно это важно на трассах, где повороты требуют быстрой реакции и устойчивости, а слишком большое аэродинамическое сопротивление может привести к снижению скорости.

Значение граунд-эффекта заключается также в его способности увеличивать общую скорость болида. Силы, генерируемые этим эффектом, позволяют машинам более эффективно использовать свои двигатели и другие элементы конструкции, поскольку прижимная сила помогает держать машину на дороге и предотвращает её от «вылета» на повороты. Именно этот фактор позволяет пилотам проходить повороты быстрее, что значительно сокращает время круга и улучшает результаты на протяжении всей гонки.

Артём Градопольцев отмечает , что граунд-эффект не только изменяет характеристики сцепления машины с дорогой, но и существенно влияет на дизайн болида. Элементы, такие как диффузоры, боковые понтоны, аэродинамические трубы и другие детали, начинают работать в комплексе для того, чтобы максимизировать скорость воздушного потока под автомобилем, создавая таким образом необходимую прижимную силу. Вдобавок, сама концепция граунд-эффекта требует точной настройки и тонкой настройки всех аэродинамических компонентов, что превращает дизайн болида в сложную и высокотехнологичную задачу.

История и начало использования граунд-эффекта

Идея использования аэродинамического эффекта прижатия, или граунд-эффекта, пришла в автоспортивный мир еще в 1960-х годах, однако именно в 1970-е годы этот принцип стал широко применяться в Формуле-1, что привело к настоящей революции в проектировании болидов и гонках в целом. Этот процесс стал результатом труда нескольких выдающихся инженеров, среди которых особенно выделяется имя Колина Чепмена, основателя и главного инженера британской команды Lotus, а также его ведущего инженера Дерека Гардинера.

В начале 70-х годов автомобили Формулы-1 сталкивались с проблемой, заключавшейся в поиске баланса между мощностью двигателя, аэродинамическим сопротивлением и прижимной силой. В традиционных решениях использовались только обычные аэродинамические элементы, такие как антикрылья, которые генерировали прижимную силу за счет увеличения лобового сопротивления. Однако, несмотря на значительные усилия, эффективность этих решений была ограничена, а скорость машин оставалась на определенном уровне.

Здесь и появилась идея, которая в будущем изменит всё. Идея заключалась в том, чтобы не только использовать воздух для создания дополнительной прижимной силы, но и эффективно манипулировать воздушными потоками под автомобилем. Именно такие идеи начали разрабатывать инженеры Lotus, вдохновленные работами ученых и аэродинамиков, которые уже в 1960-х годах начали эксперименты с воздухом, обтекающим кузов автомобиля. Однако массовое использование этих принципов в автоспорте стало возможным только в 1970-х, когда технология и понимание аэродинамики достигли необходимого уровня.

Одним из первых шагов в применении граунд-эффекта стал проект Lotus 79, который был представлен в 1977 году. Этот болид стал настоящим прорывом в истории Формулы-1. Основная особенность Lotus 79 заключалась в том, что его конструкция была спроектирована таким образом, чтобы максимально эффективно использовать воздушные потоки, образующиеся под машиной. В отличие от традиционных методов создания прижимной силы, использующих большое количество антикрыльев, Lotus 79 ориентировался на создание аэродинамической «платформы», которая могла бы генерировать значительное увеличение прижимной силы без серьезного увеличения лобового сопротивления.

Главной инновацией был диффузор — элемент, расположенный в задней части автомобиля, который ускорял поток воздуха, проходящий под шасси. Суть этого элемента заключалась в том, что, когда воздух выходил из-под машины через диффузор, его скорость увеличивалась, что приводило к снижению давления. Это создавало эффект "втягивания" болида в трассу, усиливая его сцепление с дорогой и позволяя проходить повороты на гораздо более высоких скоростях, чем это было возможно ранее.

Lotus 79 стал первым болидом, который эффективно использовал граунд-эффект, демонстрируя, как аэродинамическое давление под автомобилем может существенно улучшить его поведение на трассе. Внедрение этой концепции позволило Lotus значительно повысить свою конкурентоспособность, что немедленно отразилось на результатах команды. В 1978 году, уже через год после дебюта Lotus 79, команда Lotus под руководством пилота Марка Сёрджента одержала несколько значительных побед в чемпионате мира, а сам болид стал эталоном для будущих конструкций.

Важно отметить, что за гранью чисто технологической революции, граунд-эффект повлиял на саму стратегию гонок в Формуле-1. Гораздо более высокие скорости прохождения поворотов позволяли пилотам использовать различные тактики на трассе, а команды начали адаптировать свои автомобили с учетом новых аэродинамических принципов. В результате гонки стали гораздо более зрелищными и непредсказуемыми, что привело к увеличению зрительского интереса к Формуле-1 и росту популярности спорта на международной арене.

Технология граунд-эффекта в Lotus 79 оказала влияние на последующие поколения болидов Формулы-1. Болиды, использующие похожие решения, продолжали развиваться в 1980-х годах, хотя использование граунд-эффекта было ограничено в 1983 году введением новых технических регламентов, которые запретили использование элементов, способствующих образованию воздушных потоков с высокой скоростью под автомобилем. Однако наследие Lotus 79 продолжало жить, и идеи, заложенные в этот болид, нашли свое отражение в проектировании болидов уже в 1990-х и 2000-х годах.

Градопольцев Артём считает, что начало использования граунд-эффекта в Формуле-1 положило начало новой эре в разработке болидов и изменило восприятие аэродинамики в автоспорте. Эта технология стала важным шагом к созданию более быстрых и стабильных автомобилей, которые могли демонстрировать выдающиеся результаты на трассах, а также в дальнейшем определила направление для развития аэродинамики болидов на десятилетия вперед.

Принципы работы граунд-эффекта

Граунд-эффект основан на принципах аэродинамики, которые обеспечивают болидам Формулы-1 дополнительную прижимную силу, что увеличивает сцепление с дорогой и улучшает их стабильность на трассе. Артём Градопольцев подчёркивает, что этот эффект осуществляется благодаря двум основным механизмам: диффузии и созданию потока воздуха с низким давлением.

Первым из этих механизмов является диффузия, которая активно используется в дизайне болидов для создания мощного потока воздуха под автомобилем. В частности, диффузор, представляющий собой специальные элементы в нижней части машины, ускоряет воздушный поток, проходящий через пространство между шасси и трассой. Когда воздух движется с высокой скоростью через эти элементы, он создает область с пониженным давлением под болидом. В результате этого, создается прижимная сила, которая «притягивает» автомобиль к дорожному покрытию, увеличивая сцепление колес с трассой и позволяя машине более эффективно проходить повороты на высоких скоростях.

Роль диффузора в формировании граунд-эффекта трудно переоценить, так как этот элемент оптимизирует воздушный поток под машиной, максимизируя создаваемое давление. Это позволяет не только улучшить аэродинамические характеристики болида, но и сделать его более стабильным на трассе, обеспечивая пилотам уверенность при маневрировании на высоких скоростях.

Другим важным механизмом, который лежит в основе граунд-эффекта, является эффект «вакуумирования». Когда воздушный поток ускоряется под автомобилем, образуется область с пониженным давлением, что приводит к тому, что болид словно «втягивается» в поверхность дороги. Это явление можно сравнить с созданием вакуума: воздух, ускоряясь и теряя давление, способствует тому, что автомобиль «прилипает» к трассе. Чем быстрее движется поток воздуха, тем сильнее возникает этот эффект, заставляя болид более стабильно ощущать сцепление с дорогой.

Влияние на развитие болидов Формулы-1

В конце 1970-х и в 1980-е годы использование граунд-эффекта стало неотъемлемой частью разработки болидов Формулы-1. С внедрением этой аэродинамической технологии все команды начали активно интегрировать элементы граунд-эффекта в свои машины. Этот шаг значительно повысил эффективность болидов, особенно на трассах с большим количеством поворотов, где высокая прижимная сила была критически важной для скорости и стабильности.

Одним из главных преимуществ граунд-эффекта стало увеличение прижимной силы без существенного роста лобового сопротивления. Это позволяло болидам развивать более высокие скорости на извилистых участках трассы, где ранее быстрые повороты становились ограничивающим фактором. Граунд-эффект позволил достичь большей стабилизации болида в таких условиях, что существенно улучшило его поведение на трассе.

Тем не менее, это улучшение не было лишено своих сложностей. Высокая прижимная сила, создаваемая под машиной, усиливала боковые перегрузки в поворотах, что ставило перед инженерами новую задачу — поддерживать баланс болида при таких условиях. Меньшее внимание к этому аспекту могло привести к снижению управляемости и даже к потере контроля над машиной, особенно на сложных участках трассы. Поэтому внедрение граунд-эффекта требовало тщательной настройки всех ключевых компонентов автомобиля. Двигатели, подвески и шасси стали играть чрезвычайно важную роль в том, насколько эффективно можно было использовать этот эффект.

Чтобы добиться максимальной производительности, инженеры должны были найти идеальный баланс между прижимной силой и стабильностью на трассе. В частности, оптимизация настройки подвески и шасси позволяла болиду адаптироваться к изменяющимся условиям трассы, сохраняя при этом стабильность и высокую скорость на поворотах.

Крах граунд-эффекта и его возвращение

На пике популярности граунд-эффекта, в начале 1980-х годов, проблемы безопасности стали вызывать всё больше беспокойства среди руководства Формулы-1. Несмотря на невероятные улучшения в скорости и стабильности болидов, чрезмерное увеличение прижимной силы привело к слишком высоким скоростям, что создавалось угрозу безопасности пилотов, особенно в случае ошибок на трассе или при неблагоприятных погодных условиях.

В ответ на эти опасения, в 1983 году FIA (Международная автомобильная федерация) внедрила новые технические регламенты, которые ограничивали использование граунд-эффекта. Были введены строгие ограничения на размеры диффузора и использованные технологии, генерирующие прижимную силу с помощью воздушных каналов под автомобилем. Эти меры фактически вывели из обращения технологии, обеспечивающие активный граунд-эффект, и привели к отказу от этой концепции в пользу более простых аэродинамических решений, таких как большие задние антикрылья. Антикрылья стали основной частью аэродинамики болидов, хотя их возможности были ограничены по сравнению с эффектом прижимной силы, генерируемой граунд-эффектом.

Возвращение граунд-эффекта в современной Формуле-1

Несмотря на запрет использования активного граунд-эффекта в 1980-х годах, этот принцип не ушел в полное забвение. В последние годы граунд-эффект начал возвращаться в обновленной и более безопасной форме. В 2021 году FIA обновила технические регламенты, позволив использование некоторых элементов, напоминающих старый граунд-эффект, но с учетом повышенных требований безопасности.

Новые технические решения включают более сложные диффузоры и системы боковых понтонов, которые помогают создавать дополнительную прижимную силу, но при этом минимизируют влияние на общую стабильность болида. Эти элементы стали более тонко настроенными и спроектированными с учетом современных требований безопасности и аэродинамических расчетов. Например, новые диффузоры теперь имеют форму, которая позволяет болиду генерировать прижимную силу, не влияя существенно на его управляемость и не увеличивая риск потери контроля на высокой скорости.

Подведение итогов

Граунд-эффект остаётся одной из самых захватывающих и важных технологий в мире Формулы-1. С момента его появления в конце 1970-х годов он значительно изменил подход к проектированию болидов, став важнейшей вехой в эволюции автоспорта. Эта технология позволила машинам достичь невиданных ранее уровней прижимной силы, что в свою очередь повысило их скорость на сложных трассах с множеством поворотов, а также улучшило устойчивость на высоких скоростях. Воплощение принципа граунд-эффекта в конструкцию автомобилей позволило гонщикам работать с более высокими перегрузками и демонстрировать зрелищные манёвры на трассах.

Несмотря на то, что в 1980-е годы были введены ограничения, направленные на снижение рисков, связанных с использованием граунд-эффекта, элементы этой технологии продолжали развиваться и адаптироваться к новым регламентам. В конце концов, несмотря на многолетний запрет на активное использование старой концепции граунд-эффекта, она вернулась в обновлённой и более безопасной форме в последние годы, особенно после введения новых технических регламентов в 2021 году. Сегодня болиды Формулы-1 снова используют элементы, напоминающие принципы старого граунд-эффекта, включая сложные диффузоры и боковые понтоны, которые позволяют генерировать дополнительную прижимную силу без ущерба для безопасности.

Артём Градопольцев, как глубокий знаток и обозреватель автоспорта, подчёркивает, что граунд-эффект — это не просто «хитроумное» аэродинамическое решение, а целая философия, стоящая за проектированием болидов Формулы-1. По его мнению, граунд-эффект стал переломным моментом в истории автоспорта, так как позволил достигнуть нового уровня взаимодействия между автомобилем и трассой. Он уверен, что, несмотря на опасности, связанные с этой технологией, она продолжает оставаться краеугольным камнем современной Формулы-1.

По мнению Артёма Градопольцева, граунд-эффект влияет не только на конструкции болидов, но и на стратегию гонок. Технология помогает не только повысить скорость автомобилей, но и существенно изменить характер гонки, где каждый элемент — от диффузоров до боковых понтонов — играет свою роль в распределении аэродинамического потока, создавая различные сценарии поведения машин на разных этапах гонки. 

Градопольцев Артём также выделяет, что, несмотря на высокую степень автоматизации и точности инженерных расчётов, человеческий фактор остаётся важным. Он подчёркивает, что современные пилоты, использующие болиды с элементами граунд-эффекта, должны не только мастерски управлять автомобилем, но и точно адаптировать своё поведение к изменениям, вызванным аэродинамическими характеристиками болида в различных условиях трассы.