Елена Трухан

Научный журналист

Почему гепард не превышает скорость?

Гепард способен разогнаться до 130 километров в час (а это в два раза больше, чем разрешенная скорость передвижения автомобиля в городе). Как-то ученые повесили на нескольких гепардов GPS-ошейники, отслеживающие скорость и траекторию перемещений. И выяснили, что самый быстрый зверь редко пользуется этим своим титулом и развивает максимальную скорость. Рассказываем, что помогает гепарду бегать и почему он соблюдает скоростные ограничения.



Трение

У гепарда есть четыре лапы с рифлеными подушечками и острыми массивными когтями. От остальных кошачьих он отличается невтяжными когтями — они не уходят вглубь лап целиком. Когти нужны гепарду не только для того, чтобы схватить добычу, они также выступают в роли шипов, увеличивая трение и обеспечивая высокий уровень сцепления.

У машин нет лап. Вместо них — четыре колеса с резиновыми шинами и иногда с шипами. Движение автомобиля происходит за счет силы трения качения между колесами автомобиля и дорогой. Эту силу называют силой сцепления. Сила сцепления пропорциональна сцепному весу автомобиля (то есть той части веса, которая приходится на ведущую ось) и коэффициенту трения между шинами и дорогой.

Кому-то может показаться, что трение всегда только мешает движению, а не помогает ему. Это не так. Представьте, что автомобиль на летней резине едет по замерзшему озеру. Сцепления нет, очень вероятны заносы или буксовка. Хорошее сцепление с дорогой позволяет легко управлять автомобилем, плавно тормозить и безопасно поворачивать.


Инерция

На движение как гепарда, так и автомобиля влияет инерция. Строго говоря, инерция — стремление тела сохранять свою скорость неизменной при отсутствии воздействия внешних сил.

Масса — мера инертности. То есть чем тело тяжелее, тем сильнее заметно его нежелание изменять свою скорость. Действительно, когда возвращаешься с дачи с десятью килограммами картошки, вареньем и довольной бабушкой, автомобиль едет более плавно и не подскакивает на кочках. Все дело в дополнительной массе, которую мы везем — благодаря ей увеличивается инертность автомобиля. Однако за плавное движение машины приходится расплачиваться из своего кармана: чем больше машина нагружена, тем больше топлива она потребляет.

Гепард, хотя и не учил физику в школе, знаком с явлением инерции. Она помогает гепардам совершать стремительные длинные прыжки: семь-восемь метров всего за полсекунды.

Гепард — хищник, и ему необходимо быть не только быстрым, но еще и маневренным. В среднем гепард весит около 50 килограмм, причем значительная часть его веса приходится на мускулатуру. Если бы гепарду пришлось везти на своей спине бабушку, то о маневренности пришлось бы забыть.


Торможение

От чего зависит тормозной путь?

В первую очередь — от скорости движущегося тела. Чем выше скорость, тем больше времени понадобится для того, чтобы тело полностью остановилось. При торможении гепард пригибается к земле, что позволяет ему задействовать мускулатуру задних лап и помогает избежать раскачивания из стороны в сторону. Автомобилю в торможении помогает подвеска, поглощая кинетическую энергию и также предотвращая раскачивание.

Помимо скорости, тормозной путь автомобиля зависит от шин: насколько они качественные, новые и соответствуют дорожному покрытию. Одна известная марка автомобилей экспериментально сравнила, как изношенность шин влияет на длину тормозного пути. Профессиональный водитель разгонялся на мокрой дороге до скорости, близкой к 100 км/ч, и после этого тормозил. Тормозной путь машины на изношенных шинах ожидаемо увеличился. И увеличился значительно — на расстояние, равное десяти машинам, стоящим друг за другом.

Во избежание ненужного риска нужно вовремя менять изношенные шины на новые. Шины Toyo Tires Proxes TR1 обладают специальным индикатором, показывающим процесс износа.

Поворот

Гепард, выписывающий петлю в погоне за антилопой, больше похож на мотоцикл, чем на автомобиль. Дело в том, что машина не отклоняется значительно от вертикальной оси. Посмотрите на гепарда на фотографии в начале текста. На него действует ускорение свободного падения и центростремительное ускорение, в итоге результирующее ускорение. Гепард наклоняется к земле в ту же сторону, что и поворачивает. Так он противостоит центробежной силе.

Гепард замедляется перед маневрами. Если бы он поворачивал на полной скорости, радиус поворота был бы большой и занимал много времени — так за антилопой не угонишься. Умный гепард сначала сбрасывает скорость, а потом делает крутой поворот. Например, снижение скорости с 16 метров в секунду до 4 метров в секунду позволяет снизить радиус поворота с 19,7 метров до 1,2 метров.

Возможно, людям стоило бы кое-чему поучиться у гепарда: хотя ему не составляет большого труда бежать на скорости 90 километров в час, чаще всего охотится гепард на скорости 50 километров в час. Это объясняется также тем, что гепард бережет себя и скорее упустит добычу, чем получит травму. Потому и охота гепарда успешна всего в одном из четырех случаев.


Снова торможение

Для физики пассажиры — это просто тела, обладающие массой. Эти тела (то есть мы с вами) тоже участвуют в явлении инерции. Когда водитель резко тормозит, то мы об этом заранее не знаем, и поэтому нас отбрасывает вперед. Чтобы тело не получило в такой ситуации травмы, оно должно быть пристегнуто!

Когда мы едем по сухой дороге, то трение называется сухим (вообще, физики любят называть вещи своими именами), и его коэффициент зависит от дорожного покрытия и даже температуры.


И снова трение

Если на дорогу разлить жидкость (например, масло), трение будет вязким. Из-за прослойки жидкости, будь то грязевая жижа или подтаявший снег, сцепление снижается, а значит, повышается вероятность заносов и аварий. Для отвода жидкости с дороги шины оснащены протектором с блоками разной формы и размера, а также канавками и ламелями. Рисунки протектора различаются и созданы для решения различных задач: езда по снегу, грязи, лужам. Есть и вариант, когда протектор не имеет никакого рисунка — такие шины называются сликами и используются в автоспорте, где нужна максимальная площадь соприкосновения шины и дороги для сцепления на высокой скорости, при условии, что дорога эта сухая.

Таким образом, с помощью различного дизайна протектора шин можно оптимизировать их характеристики под те или иные условия. Инженеры Toyo Tires создали платформу для проектирования шин T-MODE, которая позволяет с помощью компьютерной симуляции, высокопроизводительных вычислений и машинного обучения прогнозировать поведение автомобиля в заданных условиях. Таким образом, инженеры могут усовершенствовать рисунок протектора будущей шины так, чтобы повысить ее сцепные свойства на снегу и на льду.

Ранее в этом блоге

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.