Фізика автомобіля: Чому справжнє водіння відчувається так, як воно є

Чотири контактні точки визначають все

Автомобіль – це важкий ящик, що балансується на чотирьох невеликих гумових контактних поверхнях, кожна з яких може мати розмір долоні, і будь-яка сила, яка керує автомобілем, прискорює або гальмує його, повинна проходити через ці поверхні. Реалістична фізика автомобіля починається з надання кожному колесу власної невеликої локальної симуляції – пружини підвіски, яка тисне шину в дорогу, та моделі шини, що визначає, який боковий і прямовий коефіцієнт тертя має контактна поверхня.

Замість того, щоб розглядати автомобіль як один жорсткий блок, який ковзає по дорозі.

Підвіска: пружини, амортизатори та чому вас не виштовхує на бордюр

Кожна колеса з’єднана з кузовом через пружину та амортизатор, які працюють паралельно. Пружина протидіє стисненню пропорційно до ступеня її деформації, зберігаючи енергію; амортизатор чинить опір залежно від швидкості стиснення або розширення, виводячи цю енергію у вигляді тепла. Без амортизатора автомобіль би нескінченно підкидувався на пружинах після кожного бордюра – як поні, а амортизатор робить так, що відбиття припиняється за лічені секунди замість того, щоб тривало.

F_підвіски = -k * деформація // пружина: пропорційна зміщенню - c * швидкістьДеформації // амортизатор: пропорційний швидкості Вертикальна сила, яку створює кожна пружина, безпосередньо контролює скільки зчеплення має шина, оскільки більша нижня сила тисне гуму більше в дорозі. Саме тому при різкому повороті помітно стискаються пружини зовні та розвантажуються пружини всередині – автомобіль динамічно перерозподіляє зчеплення до коліс, які виконують найбільшу роботу.

F_suspension = -k * compression        // spring: proportional to displacement
             - c * compressionRate  // damper: proportional to velocity

Кут зміщення: прихована змінна за порами

Обод автомобіля не вказує точно у напрямку руху, коли діють бокові сили. Невеликий кутовий відхил між напрямком, в якому вказаний обод, та напрямком, в якому рухається автомобіль, називається кутом зміщення, і це найважливіший параметр у динаміці транспортних засобів: до кількох градусів боковий тиск майже лінійно зростає з кутом зміщення, але після піку – зазвичай приблизно 8–12° для дорожнього шину – тиск падає, оскільки контактна площа втрачає еластичну адгезію та починає ковзати. Ця крива пік-падіння пояснює, чому автомобіль, що розвертається на межі можливостей, здається нестійким: ви перебуваєте безпосередньо над піком кривої тиску, і навіть незначний додатковий рульовий вхід може перевести вас за цей превеликий поріг.

Дрифт – це те, що відбувається після піку напруги

Дрифт – це просто навмисне проїзд повз критичний кут скольження на задніх колесах: коли втрачається зчеплення на цьому піку, задню частину автомобіля починає ковзати швидше, ніж передню, і вся машина обертається сильніше, ніж би передбачив лише кут повороту керма. Водій компенсує це занос (countersteer), щоб контролювати йов (yaw), а не для зміни напрямку руху. Це виглядає вражаюче, але це та сама крива сили на колесах, що притаманна звичайному гальмуванню – просто вона використовується навмисно на стороні, де втрачається зчеплення, а не на стороні, де воно зростає. Саме тому професійні комплектації для дрифту віддають перевагу задньопривідній компоновці та низькому задньому зчепленню (зношені або вузькі задні шини, агресивне натискання на педаль газу), що дозволяє навмисно перевести задню частину автомобіля за межі цього піку.

Об'єднання всього кожного кадра

Зазвичай, фізичний крок для симулятора автомобіля передбачає наступне: (1) обчислення стиснення підвіски кожним колесом та отриманий вниз спрямований навантаження, (2) передачу цього навантаження та кута зміщення колеса в модель шин для отримання бокового та поздовжного коефіцієнтів зчеплення, (3) обчислення суми сил і моментів чотирьох коліс на жорстке тіло шасі, та (4) інтегрування руху шасі вперед – зазвичай за допомогою того ж типу с імпульсного інтегратора, що використовується в інших місцях на цьому сайті для будь-яких обчислень, які потребують достовірно зберігати імпульс протягом тривалого укороченого шляху, а не повільно набирати або втрачати енергію.

Frequently asked questions

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Car Physics і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.