NASCAR может стать самой быстрой дорогой к изучению физики

В движении на высоких скоростях есть что-то захватывающее. На протяжении всей истории люди всегда стремились ехать быстрее - пешком, верхом, на лодке или на велосипеде.

Практически каждые выходные современные любители скорости могут виртуально наблюдать за тем, как их любимые гонщики NASCAR мчатся по трассе на смертельно опасных скоростях.

Может быть, это волнение толпы или постоянная угроза опасности привлекает людей к спорту. А может быть, некоторых зрителей привлекают научные и инженерные подвиги. Мне, как физику, нравится наблюдать за тем, как во время гонок NASCAR демонстрируются все принципы физики.

Скорость

Гонщики NASCAR ездят на очень высоких скоростях, более 200 миль в час. Они разгоняются так быстро, что им требуется всего 3-3,5 секунды, чтобы разогнаться с нуля до 60 миль в час. Во время этого ускорения автомобиль должен приложить к трассе горизонтальное усилие в среднем 2 600 фунтов. Это сравнимо с силой укуса большого американского крокодила или с тем, что требуется, чтобы поднять взрослого буйвола.

Согласно теории специальной относительности Эйнштейна, чем быстрее вы перемещаетесь в пространстве, тем медленнее течет время. Поэтому справедливо будет сказать, что демоны скорости, гонщики NASCAR, стареют чуть меньше, чем все остальные. По окончании 3,5-часовой гонки гонщики стареют примерно на 0,5 наносекунды меньше, чем зрители, которые не двигаются с места. Если бы гонщик безостановочно гонял на скорости 200 миль в час в течение следующих 50 лет, он старел бы на 70 микросекунд меньше, чем все остальные.

Хотя гонщики NASCAR движутся с невероятно высокой скоростью по сравнению с толпой на трибунах, их скорости малы по сравнению с тем, что имел в виду Эйнштейн, например, скорость света - 670 миллионов миль в час. Эффект относительности на треке невелик, но он существует.

Трасса

Как же водителям удается достичь таких скоростей?

Когда автомобиль входит в поворот, он, естественно, хочет продолжить движение в том направлении, в котором ехал изначально. Чтобы изменить направление, следуя изгибу овальной формы трека, необходимо приложить силу.

Необходимая сила возникает за счет трения между шинами и дорожкой. Трение - это связь между ними, которая не позволяет им скользить друг по другу.

Поэтому для водителей это балансирование - они хотят не отпускать педаль, но не могут ехать так быстро на повороте, чтобы скорость превысила способность к маневрированию, обеспечиваемую трением. Если ехать слишком быстро, трения может не хватить, чтобы предотвратить продолжение движения в первоначальном направлении и скольжение автомобиля прямо в стену. Слишком большое замедление - и вы отстанете от соперников.

Здесь может помочь конструкция трассы. Повороты имеют изгиб, то есть они более высокие с внешней стороны трека и более низкие к центру. Часть силы, с которой дорога давит на автомобиль - то, что физики называют нормальной силой - помогает силе трения шин и помогает автомобилю пройти поворот.

Банкинг в поворотах на некоторых самых быстрых гоночных трассах можно сравнить с крутизной горки на детской площадке. Банкинг на Richmond International Raceway позволяет автомобилям ехать примерно в 1,3 раза быстрее, чем без него. Более крутые повороты и более высокие крены, как в Дайтоне и Талладеге, позволяют гонщикам поддерживать более высокую скорость при прохождении поворотов.

Мощность

Мощность - это мера энергии, преобразованной из одной формы в другую за определенный промежуток времени. В гоночных автомобилях это преобразование происходит из химической энергии бензина в кинетическую энергию движения.

Двигатель NASCAR производит около 750 [лошадиных сил](https://www.popsci.com/what-is-horsepower/) (560 кВт), что превосходит аналогичную модель уличного автомобиля, максимальная мощность которого составляет около 300 лошадиных сил. Во время гонки преобразование мощности двигателя NASCAR примерно в 500 раз превышает энергопотребление типичного американского домохозяйства за тот же период времени.

Мощность автомобилей достигается за счет сгорания газа при вращении двигателя. Вращение двигателя NASCAR в 3,5 раза быстрее, чем у обычного уличного автомобиля, и намного эффективнее, что позволяет ему сгорать быстрее и вырабатывать большую мощность.

Столкновения

Высокая скорость и мощь гоночных автомобилей сопряжены с риском опасных столкновений. Некоторые из самых жестких столкновений в NASCAR регистрируются при ускорении около 80 G's - то есть в 80 раз больше ускорения силы тяжести, которая удерживает вас на планете. Для сравнения, на аттракционах в парке развлечений максимальное ускорение составляет около 6 G.

Элементы безопасности пытаются увеличить время, расстояние и площадь, на которой происходит столкновение, чтобы снизить эти высокие силы. Этот принцип похож на то, как постепенная остановка менее резкая, чем резкое нажатие на тормоза, или на то, как ложе из гвоздей распределяет вес вашего тела на большую площадь, а не на один гвоздь.

Барьеры SAFER вдоль внешней стены гоночного трека сделаны таким образом, чтобы сминаться и рассеивать силу удара на большой площади. Передняя часть самого автомобиля также сминается, что увеличивает время удара.

Сиденья из углеродного волокна в автомобиле поглощают больше энергии удара по сравнению с алюминиевыми сиденьями. Они стабилизируют водителя, обхватывая грудную клетку и плечи, и распределяют силу удара по большей площади.

Пятиточечные ремни безопасности соединяют водителя с автомобилем, снова распределяя зону удара. Он также прикрепляет водителя к автомобилю, поэтому он или она замедляется вместе с разваливающимся автомобилем, а не продолжает двигаться вперед на полной скорости до удара.

Поэтому в следующий раз, когда вы отправитесь на трассу или посмотрите телевизор, поразмышляйте о физике NASCAR, а также о вкладе ученых и инженеров, работающих за кулисами над улучшением скорости, мощности и безопасности этого вида спорта.