Статті - формула 1
З роками сильно збільшилися швидкісні характеристики болідів F1, збільшилася здатність швидкого проходу поворотів, і вельми очевидно, що це заслуга так званих антикрил. На початку 60-х років Формула-1 ще не використала цих пристосувань, проте вже в 1968 році команди F1 почали експериментувати з "незграбними" і "необробленими" аеродинамічними конструкціями, щоб отримати ефект "прилипання" шасі до траси. Перші три види таких конструкцій були дуже простими і ненадійними, тому досить часто ламалися в процесі гонки.
Вже протягом трохи більше 30 років аеродинаміка F1 постійно зазнає змін, і, як ви напевно вже зрозуміли, це найважливіша характеристика боліда. Принцип здійснення функцій антикрил в F1 легко можна порівняти з технологіями в літакобудуванні. Але в той час як крила літаків сприяють зльоту і плануванню по повітрю, в F1 антикрила виконують прямопротівоположное функцію - виникнення притискної сили.
"Де швидше протягом, там менше тиск"
Ефект Бернуллі грає величезну роль в діях аеродинамічних поверхонь болідів F1. Ефект Бернуллі виражається рівнянням, відомим як "Рівняння Бернуллі", яке стверджує, що загальна енергія даного об'єму речовини не змінюється; і це спирається на принцип консервативності енергії. Коли ми розглядаємо відносний рух, то енергія ділиться на три частини:
1. Тиск в повітрі.
2. Кінетична енергія повітря (енергія руху).
3. Потенційна енергія повітря.
І рівняння в такому випадку має вигляд:
p + 1/2 r v 2 + rgh = a constant
Де: p = тиск;
r = щільність;
v = швидкість повітря;
g = прискорення сили тяжіння;
h = висота щодо опр. рівня.
Але, так як в процесі гонки F1 рівень ландшафту змінюється не дуже сильно, то останню величину (потенційну енергію) можна прийняти за константу, тоді ми отримуємо:
p + 1/2 r v 2 = some other constant
А це ми можемо записати в наступному вигляді:
Де: p = статичне тиск;
q = 1/2 rv 2 = змінюється тиск;
H = some other constant;
1.1.3. Крила і антикрила. загальний стан речей
Для початку ми подивимося на аеродинамічну конструкцію "простого" крила літака. Крило розсікає повітря і утворює дві уявні частини повітряного простору, точніше, два різних повітряних потоку. Один з потоків переміщається по поверхні під крилом, інший - над. Через конструкції крила частинки верхнього повітряного потоку рухаються "поотдаль" від крила, і прямо протилежна ситуація з нижнім потоком. Це і викликає ефект того, що верхній потік значно швидше нижнього. Згідно із законом Бернуллі під крилом виявляється більший тиск, ніж над крилом, що і сприяє появі так званої підйомної сили (lift).
Зворотна ситуація з антикрилами. Антикрила функціонують абсолютно за тим же принципом, але забезпечують ефект "прилипання" до траси, відбувається це за рахунок форми. Тобто знаючи про звичайний крилі, ми легко можемо уявити собі, що є антикрило. Досить просто повернути звичайне крило передньою частиною вниз:
1.1.4. Притискна сила і сила опору
Це як раз ті дві сили, котрим присвячується означена практично вся аеродинамічна конструкція боліда F1.Конструкціі антикрила і самого боліда повинні бути абсолютно оптимальні, тобто забезпечення притискної сили повинно бути реалізовано так, щоб це не викликало сили опору, що заважає швидкісному руху, та й сам болід зобов'язаний бути найбільш пристосований до подолання цієї самої сили.
Для обчислення сили опору використовується наступна формула:
Де: F = аеродинамічна сила опору;
C = коефіцієнт сили опору;
V = швидкість даного об'єкта;
A = лобова площа;
D = щільність воздухa.
У цьому рівнянні D як щільність повітря виражається в kg / m3. Лобова площа - це площа даного об'єкту, схильного тиску повітря, що виражається в m3
Наведена нижче таблиця показує значення коефіцієнта C залежно від поверхні об'єкту.
В F1 можна обчислити загальний коефіцієнт поліпшення (або погіршення) аеродинамічної конструкції, користуючись даною формулою:
Як відомо, зміна характереістікі аеродинаміки боліда залежить від заміни або модернізації конкретних деталей. У формулі, записаної вище, f - відсоток дії сили опору, що припадає на розглянуту деталь від загальної сили, що діє на весь болід; і даний відсоток при модернізації буде змінений (так наприклад якщо відсоток складає 5%, то f = 0.05). Sf - це так званий коефіцієнт зміни, що є відношенням сили опору на деталь, яка була до модернізації, до тієї, яка стала після. І нарешті, саме значення Seff - це загальний коефіцієнт зміни дії сили опору на болід. Якщо величина цього коефіцієнта приймає значення більше одиниці, то сила опору, поширювана на весь болід, зменшилася, і навпаки, якщо менше одиниці, то збільшилася.
Передні антикрила на боліді забезпечують близько 25% всієї притискної сили, але ця цифра може бути знижена до 10% в той час, коли болід знаходиться за іншим приблизно на відстані 20мм. З'являється ефект "засмоктування" ззаду машини, що йде в передню, відомий як Сліпстрім. І коли боліди виявляються на повороті, ззаду йде не може повернути на розвиненою швидкості через втрату притискної сили, таким чином пілотові доводиться скидати швидкість, що б безпечно пройти поворот.
Переднє антикрило, ширина якого відповідає ширині самого боліда, прикріплюється до носового обтічника (4) за допомогою пілонів. На цій аеродинамічній поверхні (1) кріпляться дві "стулки" (або елерони) (2), кожна з яких є регульованою частиною антикрила. Як правило, ці закрилки робляться з цілісного шматка карбону. На закінченнях антикрила (зліва і справа) кріпляться спеціальні бічні пластини (або боковини) (3), для забезпечення проходження потоку повітря зверху і знизу щодо поверхні антикрила, що не огинаючи його. І ці пластини (3) зіграли величезну роль в аеродинаміці F1.
Конструкція елерона така, що він є ассімітрічность самому собі щодо центральної розділяє уявлені лінії (якщо дивитися на болід спереду): чим ближче до носового обтічника елерон, тим менше його "висота" (тобто ближче до носа елерон звужується) Див. Малюнок :
Така особливість елерона дозволяє проникати в радіатор більшій кількості повітря, а також пропускати повітряний потік по "днищу" боліда, який потім потрапляє в дифузор, забезпечуючи притискну силу. У разі, якщо елерони не мають такого звуження, охолодження радіатором значно зменшується і температура мотора сильно зростає. Також важливо, що чим нижче буде розташовано переднє антикрило, тим краще це впливає на проникнення повітряного потоку в радіатор і дифузор, проте, всім відомо, що є критичне становище, при якому антикрило вже почне зачіпати трасу. Правилами FIA встановлений, що мінімальна відстань між трасою і переднім антикрилом має бути 40мм.
Щоб зрозуміти, що мається на увазі, нижче представлені такі бічні крила (боковини) різних команд, як раз відповідають за вирішення проблеми. Таке рішення є неоднозначним, і крила різних команд мають досить помітні аеродинамічні відмінності.
Прямий потік повітря потрапляє в заднє антикрило, що складається з безлічі закрилків, викликаючи певні реакції з боку антикрила. (Це спрощене пояснення, тому що насправді, до того моменту, коли потік возуха досягає заднє антикрило, він зовсім не прямий, тому що сам болід створює певний ефект турбулентності потоку повітря).
Приблизно третина всієї притискної сили забезпечує заднє антикрило боліда, яке постійно видозмінюється в F1 від траси до траси. Це пристосування може створювати більш 1000Н (Ньютоновий) притискної сили і важить близько 7 кг. З огляду на те, що заднє антикрило викликає найбільший опір в боліді, команди видозмінюють будови антикрил для кожної траси. Розглянемо різні конфігурації задніх антикрила на двох прикладах.
Монца в Італії. Швидкісна траса з довгими прямими ділянками і декількома поворотами. Тут, на протязі 70% всієї довжини траси, пілоти їдуть "вдавивши педаль газу в підлогу". Чим більше кут нахилу пластин заднього антикрила, що створюють притискну силу, тим відповідно більше сила опору, що заважає швидкісному руху боліда. У Монці дуже важлива швидкість, тому команди роблять дуже маленький кут нахилу на задньому антикрилі, щоб подолати проблему сили опору. У Монако, де траса в основному, насичена поворотами, важливим стає вже не швидкість, а притискна сила. На зображенні нижче представлені два цих антикрила:
Заднє антикрило зроблено з двох наборів певних аеродинамічних поверхонь, з'єднаних між собою і тримаються на торцевідних пластинах (3) заднього антикрила. Верхній набір таких пластин (закрилків) (1) забезпечує найбільшу притискну силу і є як правило найбільш видоизменяющимся від траси до траси. У більшості випадків цей верхній набір складається з 3-х елементів. Нижній же набір (2) зазвичай складається з двох елементів. За тим же принципом, як утворюється притискна сила (закон Бернуллі). зона низького тиску, прямо під антикрилом, допомагає дифузору засмоктувати повітря, який так само в свою чергу забезпечує притискну силу.
Найменша аеродинамічна "антікриловая" деталь (з основних), яку можна виявити на боліді, - це дифузор. Насправді принцип дії дифузора прямопротівоположен принципом дії антикрила: замість того, щоб відштовхувати повітря, дифузор засмоктує його. Ефект цей виходить через аеродинамічної форми. Дифузор знаходиться в самій нижній, "хвостовій" частини формули, прямо під заднім антикрилом, і обсяг дифузора збільшується в міру наближення його до "кінця" боліда (див. Верхній рис.). Повітря, що потрапляє в дифузор з-під дна боліда розріджується, за рахунок потрапляння його в збільшений обсяг дифузора, звідси і ефект засмоктування (всім добре відомий закон, що газ прагне вирівняти тиск в системі). Дифузор складається з великої кількості всеразлічнимі "тонельчіков" і "роздільників", які акуратно і дуже точно контролюють потоки повітря для кращого засмоктування. Так як дифузор знаходиться в зоні вихлопних газів і заднього важеля підвіски, то це накладає жорсткі вимоги на його конструкцію, в іншому випадку (при некоректному створенні і регулюванні дифузора) при зміні швидкості вихлопні гази будуть впливати на аеродинамічний баланс боліда.
P.S. Поява дифузорів обумовлено забороною FIA піднімати "хвостову" частину боліда. У цьому випадку неможливо забезпечити потрібний аеродинамічний ефект без дифузорів.