Технологии Ф1
Аэродинамика болидов Формулы 1
С годами сильно увеличились скоростные характеристики болидов Ф1, увеличилась способность быстрого прохода поворотов, и весьма очевидно, что это заслуга так называемых антикрыльев. В начале 60-х годов Формула 1 еще не использовала этих приспособлений, однако уже в 1968 году команды Ф1 начали экспериментировать с "неуклюжими" и "необработанными" аэродинамическими конструкциями, чтобы получить эффект "прилипания" шасси к трассе. Первые три вида таких конструкций были очень простыми и ненадежными, поэтому достаточно часто ломались в процессе гонки.
Уже на протяжении чуть более 30 лет аэродинамика Ф1 постоянно претерпевает изменения, и, как вы наверное уже поняли, это самая важная характеристика болида. Принцип осуществления функций антикрыльев в Ф1 легко сопоставим с технологиями в самолетостроении. Но в то время как крылья самолетов способствуют взлету и планированию по воздуху, в Ф1 антикрылья выполняют прямопротивоположную функцию - возникновение прижимной силы.
Эффект Бернулли
Эффект Бернулли играет огромную роль в действиях аэродинамических поверхностей болидов Ф1. Эффект Бернулли выражается уравнением, известным как "Уравнение Бернулли", которое утверждает, что общая энергия данного объема вещества не изменяется; и это опирается на принцип консервативности энергии. Когда мы рассматриваем относительное движение, то энергия делится на три части:
1. Давление в воздухе.
2. Кинетическая энергия воздуха (энергия движения).
3. Потенциальная энергия воздуха.
И уравнение в таком случае имеет вид: p + 1/2 r v2 + rgh = a constant
Где:
p = давление;
r = плотность;
v = скорость воздуха;
g = ускорение силы тяжести;
h = высота относительно опр. уровня.
Но, так как в процессе гонки Ф1 уровень ландшафта меняется не слишком сильно, то последнюю величину (потенциальную энергию) можно принять за константу, тогда мы получаем:
p + 1/2 r v2 = some other constant
А это мы можем записать в следующем виде:
p + q = H
Где:
p = статичное давление;
q = 1/2 rv2 = изменяющееся давление;
H = some other constant
Крылья и антикрылья
Для начала мы посмотрим на аэродинамическую конструкцию "простого" крыла самолета. Крыло рассекает воздух и образует две мнимые части воздушного пространства, точнее, два различных воздушных потока. Один из потоков перемещается по поверхности под крылом, другой - над. Из-за конструкции крыла частицы верхнего воздушного потока движутся "поодаль" от крыла, и прямо противоположная ситуация с нижним потоком. Это и вызывает эффект того, что верхний поток значительно быстрее нижнего. По закону Бернулли под крылом оказывается большее давление, чем над крылом, что и способствует появлению так называемой подъемной силы (lift):
Обратная ситуация с антикрыльями. Антикрылья функционируют абсолютно по тому же принципу, но обеспечивают эффект "прилипания" к трассе, происходит это за счет формы. То есть зная об обычном крыле, мы легко можем представить себе, что есть антикрыло. Достаточно просто повернуть обычное крыло передней частью вниз:
Прижимная сила и сила сопротивления
Это как раз те две силы, которым посвящена практически вся аэродинамическая конструкция болида Ф1. Конструкции антикрыльев и самого болида должны быть совершенно оптимальны, то есть обеспечение прижимной силы должно быть реализовано так, чтобы это не вызывало силы сопротивления, мешающей скоростному движению, да и сам болид обязан быть наиболее приспособлен к преодолению этой самой силы.
Для вычисления силы сопротивления используется следующая формула:
F = 1/2Ѕ CDAV2
Где:
F = аэродинамическая сила сопротивления;
C = коэффициент силы сопротивления;
V = скорость данного объекта;
A = лобовая площадь;
D = плотность воздуха.
В этом уравнении D как плотность воздуха выражается в kg/m3. Лобовая площадь - это площадь рассматриваемого объекта, подверженного давлению воздуха, выражаемая в m3
Приведенная справа таблица показывает значение коэффициента C в зависимости от поверхности объекта.
В Ф1 можно вычислить общий коэффициент улучшения (или ухудшения) аэродинамической конструкции, пользуясь данной формулой:
Как известно, изменение характеристики аэродинамики болида зависит от замены или модернизации конкретных деталей. В формуле, записаной выше, f -- процент действия силы сопротивления, приходящийся на рассматриваемую деталь от общей силы, действующей на весь болид; и данный процент при модернизации будет изменен (так например если процент составляет 5%, то f = 0.05). Sf - это так называемый коэффициент изменения, представляющий собой отношение силы сопротивления на деталь, которая была до модернизации, к той, которая стала после. И, наконец, само значение Seff - это общий коэффициент изменения действия силы сопротивления на болид. Если величина этого коэффициента принимает значение больше единицы, то сила сопротивления, распространяемая на весь болид, уменьшилась, и наоборот, если меньше единицы, то увеличилась.
Передние антикрылья
Переднее антикрыло, ширина которого соответствует ширине самого болида, прикрепляется к носовому обтекателю при помощи пилонов. На этой аэродинамической поверхности крепятся три "створки" (или элероны), каждая из которых является регулируемой частью антикрыла. Как правило, эти закрылки делаются из цельного куска карбона. На окончаниях антикрыла (слева и справа) крепятся специальные боковые пластины (или боковины), для обеспечения прохождения потока воздуха сверху и снизу относительно поверхности антикрыла, не огибая его. Эти пластины сыграли огромную роль в аэродинамике Ф1.
Конструкция элерона такова, что он является ассиметричным самому себе относительно центральной разделяющий вообразимой линии (если смотреть на болид спереди): чем ближе к носовому обтекателю элерон, тем меньше его "высота" (т.е. ближе к носу элерон сужается).
Такая особенность элерона позволяет проникать в радиатор большему количеству воздуха, а также пропускать воздушный поток по "днищу" болида, который затем попадает в диффузор, обеспечивая прижимную силу. В случае, если элероны не имеют такого сужения, охлаждение радиатором значительно уменьшается и температура мотора сильно возрастает. Также важно, что чем ниже будет расположено переднее антикрыло, тем лучше это влияет на проникновение воздушного потока в радиатор и диффузор, однако, всем известно, что имеется критическое положение, при котором антикрыло уже начнет задевать трассу.
В 1998 году появились нововведения в области аэродинамики Ф1, что принесло множество дополнительных проблем командам. Из-за того что колеса стали располагаться ближе к монококу, при виде спереди, переднее антикрыло визуально "ложилось внахлест" колес. Это приводило к турбулентности в зоне передних колес, резко понижая общую положительную характеристику аэродинамики болида. Для решения этой новой проблемы (а именно, появления нежелательного сопротивления (drag)) команды переделали боковые крылья на антикрыле путем образования новых ребер (боковин), таким образом, они направили поток воздуха непосредственно на монокок, огибая колесо. Позже, в следующем сезоне, многие команды воплотили новую идею, поместив дополнительные ребра на внешнюю сторону боковых крыльев, в данном случае воздух огибал колеса по внешней стороне.
Такое решение является неоднозначным, и крылья различных команд имеют достаточно заметные аэродинамические отличия.
http://www.f1-game.ru
To be continued...