В новом выпуске подкаста StarTalk известный астрофизик Нил Деграсс Тайсон и его бессменный соведущий Чак Найс разбирают физические принципы, ограничивающие скорость и ускорение современных автомобилей. Тайсон объясняет, почему для стандартного автомобиля, полагающегося на трение шин о дорогу, существует непреодолимый предел ускорения, продиктованный самой гравитацией Земли.
🏎️ Почему лошадиные силы — не главное 0:01
Многие автолюбители считают, что скорость разгона зависит исключительно от мощности двигателя (лошадиных сил) или крутящего момента электромотора. Однако Нил Деграсс Тайсон утверждает, что при старте с места главным ограничивающим фактором является не двигатель, а физика взаимодействия колеса с дорожным покрытием .
Процесс ускорения выглядит следующим образом:
- Колесо, обычно сделанное из резины, находится в контакте с цементом или асфальтом .
- При нажатии на педаль газа крутящий момент передается на колеса.
- Если крутящий момент станет слишком высоким, колеса просто начнут проскальзывать («жечь резину»), и автомобиль потеряет сцепление, необходимое для движения вперед .
По словам Тайсона, именно трение между шиной и дорогой является той силой, которая толкает машину вперед. Без эффективного трения любая мощность двигателя становится бесполезной .
⚖️ Масса, вес и хитрости сцепления 2:11
Один из способов улучшить сцепление — увеличить прижимную силу, действующую на ведущие колеса. Тайсон приводит в пример владельцев пикапов, которые в прошлом часто использовали задний привод, в то время как тяжелый двигатель находился спереди .
Для работы в зимних условиях такие водители применяли простую хитрость:
- Они нагружали кузов снегом или другим балластом прямо над задней осью .
- Это увеличивало направленную вниз силу (вес), давящую на ведущие колеса, что предотвращало их пробуксовку на снегу .
Однако здесь возникает физическая дилемма: увеличение веса за счет добавления массы требует больше энергии для разгона этой самой массы. Как отмечает Тайсон, эти величины масштабируются практически линейно: вам нужно больше мощности, чтобы сдвинуть потяжелевший автомобиль, что частично нивелирует выгоду от лучшего сцепления .
✈️ Аэродинамика: как обмануть физику без лишнего веса 4:24
Чтобы получить преимущество «тяжелого» автомобиля, не увеличивая его фактическую массу, конструкторы используют воздух. Чак Найс и Нил Тайсон обсуждают роль антикрыльев и спойлеров, которые, по сути, представляют собой перевернутое крыло самолета .
Основные аэродинамические элементы современных гоночных авто:
- Спойлеры и антикрылья: создают направленную вниз силу за счет потока воздуха.
- Аэродинамические обвесы («юбки»): направляют воздух под днище автомобиля.
- Диффузоры: создают область низкого давления под машиной, фактически «присасывая» её к трассе .
Тайсон подчеркивает ключевое преимущество этого подхода: вы увеличиваете прижимную силу (эффективный вес), не увеличивая массу, которую двигателю приходится разгонять . Однако на старте с нулевой скорости аэродинамика бесполезна — она начинает работать только тогда, когда машина уже набрала значительный темп .
📏 Предел 1g: гравитационный барьер 5:41
Самый важный вывод Тайсона заключается в том, что при использовании обычного трения между шиной и дорогой существует естественный предел ускорения, равный 1g (ускорению свободного падения) .
Физическая логика здесь такова:
- Ускорение вперед ограничено силой трения, которая напрямую зависит от силы, прижимающей машину к земле (гравитации).
- Если вы просто уроните камень, он достигнет скорости 60 миль в час (около 97 км/ч) примерно за 3 секунды .
- Соответственно, любой автомобиль, полагающийся только на трение, будет иметь предел разгона 0–60 миль/ч в районе 3 секунд .
Тайсон отмечает, что коэффициент трения резины об асфальт очень высок (около 0,8–0,95), что делает их «союзом, заключенным на небесах» . Но прыгнуть выше единицы (1g) без специальных ухищрений невозможно.
🚀 Как суперкары преодолевают лимит 6:48
Если вы видите автомобиль, который разгоняется до 60 миль/ч быстрее чем за 3 секунды (например, за 2 или 2,5 секунды), это означает, что он использует методы, выходящие за рамки простого трения .
Тайсон и Чак Найс перечисляют эти способы:
- Липкие составы: шины для дрэг-рейсинга («слики») изготавливаются из специальной резины, которая при нагреве становится похожей на жевательную резинку. В этом случае работает уже не просто трение, а адгезия (прилипание) .
- Подготовка трассы: на профессиональных треках дорогу могут поливать специальными клейкими составами.
- Механическое зацепление: использование зубчатых передач или колес, которые буквально «вгрызаются» в покрытие (как на рельсовом транспорте или в некоторых видах экстремальных гонок) .
- Реактивная тяга: использование джет-двигателей или ракет, которые толкают машину вперед за счет выброса массы, а не за счет вращения колес .
🏎️ Реактивный лимузин Джея Лено и «Спитфайры» на дорогах 10:17
Тайсон поделился личной историей о поездке на «реактивном авто» знаменитого телеведущего Джея Лено в рамках шоу Jay Leno's Garage . В этой машине установлен настоящий коммерческий турбореактивный двигатель, который напрямую вращает трансмиссию.
Интересные детали поездки:
- Двигатель расположен прямо за головами пассажиров, поэтому Нилу и Джею пришлось надеть шлемы .
- Во время заезда на базе ВВС Эдвардс на скорости около 150 миль в час (241 км/ч) у машины вылетело одно из окон .
- Когда Тайсон спросил, почему они не едут быстрее, Лено ответил: «Я не хочу остаться в истории как парень, который убил астрофизика» .
Также участники вспомнили случай, когда британский энтузиаст построил автомобиль на базе 24-литрового двигателя Rolls-Royce Merlin от истребителя Spitfire времен Второй мировой войны . Такие машины легко обходят Ferrari и Porsche, потому что их движение не ограничено стандартными рамками трения колес .
🌌 Ускорение в космосе 12:33
В завершение дискуссии Тайсон затронул тему перемещения в пространстве. В отличие от земных условий, в космосе нет дорожного покрытия и трения, поэтому там пределов ускорения практически не существует .
По словам астрофизика, в вакууме «пределом является только теория относительности» (скорость света). Скорость набора скорости в космосе зависит исключительно от эффективности и мощности ваших ракетных двигателей . Если вы запустите Tesla Roadster в космос (как это сделал Илон Маск), ее ничто не будет ограничивать в ускорении, кроме запаса топлива и физики частиц .
