Siła docisku - Downforce
Siła docisku to siła unoszenia skierowana w dół, wytworzona przez właściwości aerodynamiczne pojazdu. Jeśli pojazd jest samochodem, celem docisku jest umożliwienie szybszej jazdy samochodu poprzez zwiększenie pionowej siły działającej na opony, a tym samym zwiększenie przyczepności . Jeśli pojazd jest samolotem ze stałym skrzydłem, celem docisku na stateczniku poziomym jest utrzymanie stabilności wzdłużnej i umożliwienie pilotowi kontrolowania samolotu w pochyleniu.
Podstawowe zasady
Ta sama zasada, która pozwala samolotowi unieść się nad ziemię poprzez wytworzenie siły nośnej ze skrzydeł, jest używana w odwrotnej kolejności, aby przyłożyć siłę, która dociska samochód wyścigowy do powierzchni toru. Efekt ten jest określany jako „przyczepność aerodynamiczna” i różni się od „przyczepności mechanicznej”, która jest funkcją masy samochodu, opon i zawieszenia. Wytwarzanie docisku przez urządzenia pasywne można osiągnąć tylko kosztem zwiększonego oporu aerodynamicznego (lub tarcia ), a optymalna konfiguracja jest prawie zawsze kompromisem między nimi. Konfiguracja aerodynamiczna samochodu może się znacznie różnić w zależności od toru wyścigowego, w zależności od długości prostych i rodzaju zakrętów. Ponieważ jest to funkcja przepływu powietrza nad i pod samochodem, siła docisku wzrasta wraz z kwadratem prędkości samochodu i wymaga pewnej minimalnej prędkości, aby uzyskać znaczący efekt. Niektóre samochody miały dość niestabilną aerodynamikę, tak że niewielka zmiana kąta natarcia lub wysokości pojazdu może spowodować duże zmiany siły docisku. W najgorszych przypadkach może to spowodować podnoszenie się samochodu, a nie docisk; na przykład poprzez przepuszczanie przez guz na torze lub slipstreaming nad grzbietem: to może mieć jakieś katastrofalne skutki, takie jak Mark Webber 's i Peter Dumbreck jest Mercedes-Benz CLR w 24h Le Mans 1999 , która była użyta spektakularnie po dokładnym śledzeniu samochodu konkurenta przez garb.
Do wytworzenia siły docisku, gdy samochód porusza się z wyścigową prędkością, można wykorzystać dwa podstawowe elementy samochodu wyścigowego:
- kształt ciała oraz
- zastosowanie płatów .
Większość formuł wyścigowych ma zakaz stosowania urządzeń aerodynamicznych, które można regulować podczas wyścigu, z wyjątkiem pit stopów .
Siła docisku wywierana przez skrzydło jest zwykle wyrażana jako funkcja jego współczynnika nośności :
gdzie:
- D to siła docisku (jednostka SI: niutony )
- W to rozpiętość skrzydeł (jednostka SI: metry)
- H to cięciwa skrzydła (jednostka SI: metry), jeśli F jest podstawą obszaru skrzydła, lub grubość skrzydła, jeśli używa się podstawy obszaru czołowego
- F jest współczynnikiem siły nośnej
- ρ to gęstość powietrza (jednostka SI: kg/m 3 )
- v to prędkość (jednostka SI: m/s)
W pewnych zakresach warunków pracy i gdy skrzydło nie jest przeciągnięte, współczynnik siły nośnej ma stałą wartość: siła docisku jest wtedy proporcjonalna do kwadratu prędkości lotu.
W aerodynamice zwykle używa się rzutowanego z góry obszaru skrzydła jako powierzchni odniesienia do określenia współczynnika siły nośnej.
Ciało
Zaokrąglony i zwężający się kształt dachu samochodu został zaprojektowany tak, aby przecinać powietrze i minimalizować opór wiatru. Można dodać szczegółowe elementy karoserii na górze samochodu, aby umożliwić płynny przepływ powietrza do elementów tworzących docisk (tj. błotników lub spojlerów oraz tuneli podwozia).
Ogólny kształt samochodu ulicznego przypomina skrzydło samolotu. Dzięki temu kształtowi prawie wszystkie samochody uliczne mają aerodynamiczny podnośnik. Istnieje wiele technik stosowanych do zrównoważenia samochodu ulicznego. Patrząc na profil większości samochodów ulicznych, przedni zderzak ma najmniejszy prześwit, za nim następuje odcinek między przednimi i tylnymi oponami, a za nim tylny zderzak, zwykle z największym prześwitem. Dzięki tej metodzie powietrze przepływające pod przednim zderzakiem zostanie ograniczone do mniejszej powierzchni przekroju, a tym samym osiągnie niższe ciśnienie. Dodatkowa siła docisku pochodzi z pochylenia (lub kąta) nadwozia pojazdu, który kieruje powietrze od spodu w górę i wytwarza siłę skierowaną w dół oraz zwiększa nacisk na dach samochodu, ponieważ kierunek przepływu powietrza zbliża się do prostopadłego do powierzchni. Objętość nie wpływa na ciśnienie powietrza, ponieważ nie jest to objętość zamknięta, pomimo powszechnego błędnego przekonania. Samochody wyścigowe będą przykładem tego efektu poprzez dodanie tylnego dyfuzora, aby przyspieszyć przepływ powietrza pod samochodem przed dyfuzorem i zwiększyć ciśnienie powietrza za nim, aby zmniejszyć ślady samochodu. Inne elementy aerodynamiczne, które można znaleźć na spodzie, aby poprawić siłę docisku i/lub zmniejszyć opór, obejmują rozdzielacze i generatory wirów.
Niektóre samochody, takie jak DeltaWing , nie mają skrzydeł i wytwarzają całą siłę docisku przez nadwozie.
Płaty
Wielkość docisku wytwarzanego przez błotniki lub spojlery w samochodzie zależy przede wszystkim od trzech rzeczy:
- kształt, w tym pole powierzchni, proporcje i przekrój urządzenia,
- Orientacja urządzenia (lub kąt natarcia ) oraz
- Prędkość pojazdu.
Większa powierzchnia zapewnia większą siłę docisku i większy opór . Współczynnik kształtu to szerokość płata podzielona przez jego cięciwę. Jeżeli skrzydło nie jest prostokątny, proporcje opisana AR = B 2 / s, gdzie Ar = proporcje B = skali, a s = powierzchnia skrzydła. Ponadto większy kąt natarcia (lub pochylenia) skrzydła lub spoilera powoduje większą siłę docisku, co powoduje większy nacisk na tylne koła i większy opór.
Z przodu
Funkcja płatów z przodu samochodu jest dwojaka. Tworzą one siłę docisku, która poprawia przyczepność przednich opon, jednocześnie optymalizując (lub minimalizując zakłócenia) przepływ powietrza do reszty samochodu. Przednie błotniki w samochodzie z otwartymi kołami podlegają ciągłym modyfikacjom w miarę gromadzenia danych z wyścigu na wyścig i są dostosowywane do każdej cechy konkretnego toru (patrz górne zdjęcia). W większości serii skrzydła są nawet przystosowane do regulacji podczas samego wyścigu, gdy samochód jest serwisowany.
Tył
Na przepływ powietrza z tyłu samochodu mają wpływ przednie błotniki, przednie koła, lusterka, kask kierowcy, boczne strąki i wydech. Powoduje to, że tylne skrzydło jest mniej wydajne aerodynamicznie niż przednie. Jednak ponieważ musi generować ponad dwa razy większą siłę docisku niż przednie, aby utrzymać sterowność i zrównoważyć samochód, tylne skrzydło ma zazwyczaj znacznie większy współczynnik proporcji i często używa dwóch lub więcej elementów, aby zwiększyć ilość utworzonego docisku (patrz zdjęcie po lewej). Podobnie jak przednie błotniki, każdy z tych elementów można często regulować podczas serwisowania samochodu, przed lub nawet w trakcie wyścigu i są przedmiotem ciągłej uwagi i modyfikacji.
Skrzydła w nietypowych miejscach
Częściowo w wyniku przepisów mających na celu zmniejszenie siły docisku przednich i tylnych skrzydeł bolidów F1, kilka zespołów szukało innych miejsc na umieszczenie skrzydeł. Małe skrzydła zamontowane z tyłu boczków bolidu zaczęły pojawiać się w połowie 1994 roku i były praktycznie standardem we wszystkich samochodach F1 w takiej czy innej formie, dopóki wszystkie takie urządzenia nie zostały zakazane w 2009 roku. Inne skrzydła pojawiły się w różnych innych miejsca wokół samochodu, ale te modyfikacje są zwykle używane tylko na torach, na których najbardziej pożądana jest siła docisku, zwłaszcza na krętych torach wyścigowych na Węgrzech i w Monako.
McLaren Mercedes MP4/10 z 1995 roku był jednym z pierwszych samochodów wyposażonych w „środkowe skrzydło”, wykorzystując lukę w przepisach do zamontowania skrzydła na pokrywie silnika. Ten układ był od tego czasu używany przez każdą drużynę na starcie w tym czy innym czasie, a podczas Grand Prix Monako 2007 używały go wszystkie drużyny oprócz dwóch. Tych środkowych skrzydeł nie należy mylić ani z kamerami zamontowanymi na obręczy, które każdy samochód nosi standardowo we wszystkich wyścigach, ani z kontrolerami przepływu w kształcie rogu byczego używanymi po raz pierwszy przez McLarena, a później przez BMW Sauber, których główną funkcją jest wygładzanie i przekieruj przepływ powietrza, aby tylne skrzydło było bardziej efektywne, a nie samo generowało docisk.
Wariacją na ten temat były „X-skrzydła”, wysokie skrzydła zamontowane z przodu bocznych skrzydeł, które wykorzystywały podobną lukę jak w środkowych skrzydłach. Zostały one po raz pierwszy użyte przez Tyrrella w 1997 roku, a ostatnio były używane podczas Grand Prix San Marino w 1998 roku, kiedy to Ferrari, Sauber, Jordan i inni używali takiego układu. Postanowiono jednak, że będą musieli zostać zakazane ze względu na przeszkody, jakie powodowały podczas tankowania i ryzyko, jakie stanowili dla kierowcy w przypadku przewrócenia się samochodu. (Plotka głosi, że Bernie Ecclestone uważał je za zbyt brzydkie w telewizji i dlatego kazał je zakazać).
Od czasu do czasu próbowano różnych innych dodatkowych skrzydeł, ale obecnie zespoły częściej starają się poprawić osiągi przednich i tylnych skrzydeł za pomocą różnych kontrolerów przepływu, takich jak wspomniane wcześniej „buki”. używany przez McLarena.
Zobacz też
- Zasada Bernoulliego
- Zestaw do ciała
- Samochód Formuły 1
- Przyczepność (wyścigi samochodowe)
- Efekt naziemny w samochodach
- Siła podnoszenia)
- Tunel aerodynamiczny
Dalsza lektura
- Simon McBeath, Siła docisku samochodów konkurencji: praktyczny podręcznik , SAE International, 2000, ISBN 1-85960-662-8
- Simon McBeath, Aerodynamika samochodów wyczynowych , Sparkford, Haynes, 2006
- Enrico Benzing , Ali / Skrzydła. Progettazione i aplikacja na auto da Corsa. Ich konstrukcja i zastosowanie w samochodach wyścigowych , Mediolan, Nada, 2012. Dwujęzyczny (włosko-angielski)