В новом выпуске StarTalk спортивный комментатор Гари О’Рейли и комик Чак Найс вместе с бессменным ведущим Нилом Деграссом Тайсоном обсуждают пределы автомобильных скоростей. Главным гостем программы стал инженер и создатель YouTube-канала Engineering Explained Джейсон Фенске, который разобрал физику экстремального разгона, объяснил «читерство» автопроизводителей при замерах и оценил перспективы водородного и синтетического топлива.
🏎️ Предел разгона и физика «зацепа» 3:41
Нил Деграсс Тайсон начал дискуссию с вопроса о физическом пределе ускорения. Согласно классическим расчетам, при коэффициенте трения резины об асфальт равном единице (μ=1), автомобиль не может разогнаться до 60 миль в час (96,5 км/ч) быстрее чем за 2,7–3 секунды . Однако современные гиперкары и электромобили, такие как Tesla Model S Plaid 2021 года, заявляют цифры значительно ниже двух секунд.
Джейсон Фенске объяснил, как инженерия обходит теоретические лимиты:
- Механическое зацепление: Шина работает не только за счет трения, но и как шестерня. Мягкая резина «впивается» в микронеровности дорожного полотна, буквально отталкиваясь от текстуры асфальта . Это позволяет кратковременно превысить коэффициент трения μ=1.
- Сцепление с дорогой: Чем мягче состав резины, тем лучше она заполняет пустоты в покрытии. По мнению Тайсона, в идеальном случае колеса должны быть сделаны из материала, похожего на жевательную резинку .
- Использование клея: На дрэг-стрипах поверхность часто обрабатывают специальным липким составом. По словам Фенске, Tesla установила свой рекорд в 1,98 секунды именно на подготовленной трассе с использованием клея .
Проблема «Rollout» или как бренды подтасовывают цифры 6:04
Джейсон Фенске утверждает, что многие производители лукавят, заявляя о разгоне быстрее двух секунд. Существует старый индустриальный стандарт под названием rollout (выкатывание) . При замере времени из него вычитается первый фут (30 см) дистанции или время разгона до 6 миль в час.
Фактические данные по версии Фенске:
- Tesla Model S Plaid: заявлено 1,99 с, реальное время — около 2,3 с .
- Ferrari SF90 Stradale: заявлено 2,06 с .
- Porsche 911 Turbo S: заявлено 2,24 с .
По словам инженера, разница между маркетинговыми цифрами и реальностью обычно составляет от 0,2 до 0,3 секунды . При этом он отметил, что Porsche — одна из немногих компаний, которая старается давать максимально честные цифры .
⚡ Электромоторы против ДВС: битва крутящего момента 13:08
Главное преимущество электромобилей в разгоне — фундаментальное различие в подаче мощности. Фенске выделяет два ключевых фактора:
- Мгновенный отклик: Электроны начинают движение почти мгновенно после нажатия педали, в то время как в ДВС должен пройти цикл впуска, сжатия, взрыва и расширения газов .
- Кривая крутящего момента: Электродвигатель выдает максимальный крутящий момент прямо с нулевых оборотов. Двигателю внутреннего сгорания нужно «раскрутиться» до определенных оборотов (RPM), чтобы выйти на пик мощности .
Нил Деграсс Тайсон добавил, что электромотор совершает вращательное движение изначально, в то время как в традиционном двигателе нужно преобразовывать возвратно-поступательное движение поршней во вращение коленвала, что делает систему похожей на «устройство Руба Голдберга» .
Почему роторный двигатель не стал спасением? 15:23
В контексте вращательного движения участники обсудили двигатель Ванкеля (роторный ДВС). Джейсон Фенске напомнил о его особенностях:
- Преимущества: Высокая плотность мощности и компактность. Роторный двигатель намного меньше поршневого при той же отдаче .
- Недостатки: Низкая экологичность и конструктивная необходимость сжигать масло в камере сгорания .
Тайсон вспомнил, что в прошлом Mazda продвигала роторные двигатели как более надежные из-за меньшего количества деталей, но сегодня, когда обычные ДВС стали чрезвычайно надежными, этот аргумент потерял силу .
✈️ Аэродинамика и пределы скорости 25:28
Когда речь заходит о достижении скоростей свыше 300 миль в час (482 км/ч), физика шин отходит на второй план, уступая место аэродинамике. Фенске напомнил базовые законы сопротивления воздуха:
- Сила сопротивления (Drag) растет пропорционально квадрату скорости ($V^2$) .
- Необходимая мощность для преодоления этого сопротивления растет пропорционально кубу скорости ($V^3$) .
Это означает, что для небольшого увеличения максимальной скорости требуется колоссальный прирост мощности. Также важным фактором является прижимная сила. На низких скоростях антикрылья бесполезны, но на высоких они позволяют автомобилю «приклеиваться» к дороге, что теоретически могло бы улучшить разгон, если бы не сопротивление .
Эффект «слипстрима» (драфтинга) 27:31
Нил Деграсс Тайсон поделился личным наблюдением: двигаясь вплотную за фурой на трассе, он заметил, что показатели мгновенного расхода топлива в его машине падали до невероятных значений, вплоть до «бесконечности» .
Фенске подтвердил, что это реальный физический эффект:
- Лидирующий автомобиль (грузовик) «пробивает» дыру в воздухе, создавая зону низкого давления позади себя .
- Преследующий автомобиль попадает в эту зону «всасывания», тратя меньше энергии на преодоление сопротивления.
- Интересный факт: по словам Фенске, езда в хвосте делает лидирующий автомобиль более эффективным, так как закрывает турбулентный след и разрушает вакуум, который тянет лидера назад .
🔋 Энергетическая плотность и будущее топлива 36:56
Главная проблема электромобилей — вес батарей. Фенске привел наглядное сравнение: батарейный блок современной Tesla емкостью 100 кВт·ч весит около 1000 фунтов (453 кг), но по запасу энергии эквивалентен всего лишь 3 галлонам (около 11 литров или 9 кг) бензина . Электромобили выигрывают только за счет эффективности: КПД электромотора составляет около 95%, тогда как у ДВС — всего около 33% .
Водород vs Синтетика 41:06
Участники обсудили альтернативы литий-ионным батареям:
- Водород: Очень легкий, но занимает огромный объем. Для хранения энергии, эквивалентной 10 галлонам бензина, в виде сжатого газа потребуется 70-галлонный бак . К тому же водород крайне летуч и взрывоопасен при контакте с кислородом .
- Синтетическое топливо (e-fuels): Технология позволяет создавать бензин из водорода и CO2, извлеченного из атмосферы . Porsche уже инвестирует в это, но стоимость литра такого топлива пока составляет около 10 долларов (40 долларов за галлон) .
🌍 Экологический след и утилизация 50:31
В завершение беседы Гари О’Рейли поднял вопрос утилизации батарей, содержащих редкие металлы. Джейсон Фенске считает, что по мере роста рынка электромобилей переработка станет прибыльным бизнесом . Отработанная батарея — это «концентрированный раствор» ценных элементов, и их повторное использование будет дешевле, чем добыча новых ископаемых .
Однако Нил Деграсс Тайсон напомнил, что при оценке экологичности электромобиля важно учитывать «углеродный след» его производства, который часто игнорируется в маркетинговых отчетах .
