NewLink.ru - Гоночная Библиотека Главная | Контакт | ПОиск  
  Новости | О проекте | Пилотаж | Настройка | Разное | Медиа | Ссылки | Блог  
       
.
 
  Home > Статьи >
 Формула 1 - Аэродинамика
       0. О статье
 1. Аэродинамика
 2. Двигатель/Топливо
 3. Тормоза
 4. Кокпит
 5. Подвеска
 6. Коробка передач
 7. Монокок
 8. Колеса и шины
 9. Карбон
10. Электроника

  Автор:
неизвестен

Редакция:
как есть

Источник:
неизвестен
 

1. Аэродинамика
    1.1. Общие положения
        1.1.1. Введение

        1.1.2. Эффект Бернулли
        1.1.3. Крылья и антикрылья. Общее положение
        1.1.4. Прижимная сила и сила сопротивления
    1.2. Передние антикрылья
    1.3. Задние антикрылья
    1.4. Диффузор
    1.5. Боковые дефлекторы



1.1. Общие положения
     1.1.1. Введение


   С годами сильно увеличились скоростные характеристики болидов F1, 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 F1 начали эксперементировать 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.

На рисунках, представленных ниже, показаны два задних антикрыла, старого поколения (слева 1968 год) и нынешних технологий (справа 2000 год).

Уже на протяжении чуть более 30 лет аэродинамика F1 постоянно претерпевает изменения, и, как вы наверное уже поняли, это самая важная характеристика болида. Принцип осуществления функций антикрыльев в F1 легко сопоставим с технологиями в самолетостроении. Но в то время как крылья самолетов способствуют взлету и планированию по воздуху, в F1 антикрылья выполняют прямопротивоположную функцию - возникновение прижимной силы.


 

1.1.2. Эффект Бернулли

"Где быстрее течение, там меньше давление"

Эффект Бернулли играет огромную роль в действиях аэродинамических поверхностей болидов F1. 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 F1 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;


1.1.3. Крылья и антикрылья. Общее положение

Для начала мы посмотрим на аэродинамическую конструкцию "простого" крыла самолета. Крыло рассекает воздух и образует две мнимые части воздушного пространства, точнее, два различних воздушных потока. Один из потоков перемещается по поверхности под крылом, другой - над. Из-за конструкции крыла частицы верхнего воздушного потока движутся "поотдаль" от крыла, и прямо противоположная ситуация с нижним потоком. Это и вызывает эфект 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:


1.1.4. Прижимная сила и сила сопротивления

Это как раз те две силы, которым посвящена практически вся аэродинамическая конструкция болида F1.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 = 1/2╫ CDAV2

Где: F = аэродинамическая сила сопротивления;
C = коэффициент силы сопротивления;
V = скорость данного объекта;
A = лобовая площадь;
D = плотность воздухa.

В этом уравнении D как плотность воздуха выражается в kg/m3. Лобовая площадь - это площадь рассматриваемого объекта, подверженного давлению воздуха, выражаемая в m3

Приведенная ниже таблица показывает значение коэффициента C в зависимости от поверхности объекта.

В F1 можно вычислить общий коэффициент улучшения (или ухудшения) аэродинамической конструкции, пользуясь данной формулой:

        

Как известно, изменение характереистики 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.

1.2. Передние антикрылья

                     

Передние антикрылья на болиде обеспечивают около 25% всей прижимной силы, но эта цифра может быть снижена до 10% в то время, когда болид находится за другим примерно на расстоянии 20мм. Появляется эффект "засасывания" сзади идущей машины в переднюю, известный как слипстрим. И когда болиды оказываются на повороте, сзади идущий не может повернуть на развитой скорости из-за потери прижимной силы, таким образом пилоту приходится сбрасывать скорость, что бы безопасно пройти поворот.

Переднее антикрыло, ширина которого соответствует ширине самого болида, прикрепляется к носовому обтекателю (4) при помощи пилонов. На этой аэродинамической поверхности (1) крепятся две "створки" (или элероны) (2), 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) (3), для обеспечения прохождения потока воздуха сверху и снизу относительно поверхности антикрыла, не огибая его. И эти пластины (3) сыграли огромную роль в аэродинамике F1.

Конструкция элерона такова, что он является ассимитричным 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) См. рисунок:

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. Правилами FIA установленно, что минимальное расстояние между трассой и передним антикрылом должно быть 40мм.

В 1998 году появились нововведения в области аэродинамики F1, что принесло множество дополнительных проблем командам. Из-за того что колеса стали распологаться 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 проблеммы (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 (см. рис. 1). 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 (см. рис. 2).

Чтобы понять, что имеется ввиду, ниже представлены такие боковые крылья(боковины) разных команд, как раз отвечающих за решение проблемы. Такое решение является неоднозначным, и крылья различных команд имеют достаточно заметные аэродинамические отличия .


1.3. Задние антикрылья


Прямой поток воздуха попадает в заднее антикрыло, состоящее из множества закрылок, вызывая определенные реакции со стороны антикрыла. (Это упрощенное объяснение, т.к. на самом деле, к тому моменту, когда поток возуха достигает заднее антикрыло, он вовсе не прямой, потому что сам болид создает некоторый эффект турбулентности потока воздуха).

Примерно треть всей прижимной силы обеспечивает заднее антикрыло болида, которое постоянно видоизменяется в F1 от трассы к трассе. Это приспособление может создавать более 1000Н (Ньютонов) прижимной силы и весит около 7 кг. Ввиду того, что заднее антикрыло вызывает наибольшее сопротивление в болиде, команды видоизменяют строения антикрыльев для каждой трассы. Рассмотрим разные конфигурации задних антикрыльев на двух примерах.

Монца в Италии. Скоростная трасса с длинными прямыми участками и несколькими поворотами. Здесь, на протяжении 70% всей длины трассы, пилоты едут "вдавив педаль газа в пол". Чем больше угол наклона пластин заднего антикрыла, создающих прижимную силу, тем соответственно больше сила сопротивления, мешающая скоростному движению болида. В Монце очень важна скорость, поэтому команды делают очень маленький угол наклона на заднем антикрыле, чтобы преодолеть проблему силы сопротивления. В Монако, где трасса в основном, насыщена поворотами, важным становится уже не скорость, а прижимная сила. На картинке ниже представлены два этих антикрыла:

Заднее антикрыло сделано из двух наборов определенных аэродинамических поверхностей, соединенных между собой и держащихся на торцевидных пластинах (3) заднего антикрыла . Верхний набор таких пластин (закрылок) (1) обеспечивает наибольшую прижимную силу и является как правило наиболее видоизменяющимся от трассы к трассе. В большинстве случаев этот верхний набор состоит из 3-х элементов. Нижний же набор (2) обычно состоит из двух элементов. По тому же принципу, как образуется прижимная сила (закон Бернулли) , зона низкого давления, прямо под антикрылом, помогает диффузору засасывать воздух, который так же в свою очередь обеспечивает прижимную силу.

1.4. Диффузор

Самая маленькая аэродинамическая "антикрыловая" деталь (из основных), которую можно обнаружить на болиде, - это диффузор. На самом деле принцип действия диффузора прямопротивоположен принципу действия антикрыла: вместо того, чтобы отталкивать воздух, диффузор засасывает его. Эффект этот получается из-за аэродинамической формы. Диффузор находится в самой нижней, "хвостовой" части формулы, прямо под задним антикрылом, и объем диффузора увеличивается по мере приближения его к "концу" болида (см. верхний рис.). Воздух, попадающий в диффузор из-под дна болида разрежается, за счет попадания его в увеличенный объем диффузора, отсюда и эффект засасывания (всем хорошо известен закон, что газ стремится выравнить давление в системе). Диффузор состоит из большого количества всеразличных "тонельчиков" и "разделителей", которые аккуратно и очень точно контролируют потоки воздуха для лучшего засасывания. Так как диффузор находится в зоне выхлопных газов и заднего рычага подвески, то это накладывает жесткие требования на его конструкцию, в противном случае (при некорректном создании и регулировках диффузора) при изменении скорости выхлопные газы будут влиять на аэродинамический баланс болида.

P.S. Появление диффузоров обусловлено запретом FIA поднимать "хвостовую" часть болида. В этом случае невозможно обеспечить нужный аэродинамический эффект без диффузоров.


1.5. Боковые дефлекторы

Это приспособление было впервые применено в 1993 году. Без них набегающий поток воздуха будет идти прямо, и , соответственно, давить на заднюю стенку воздухозаборника, создавая лобовое сопротивление. Дефлектор же (если рассмотреть для примера левый относительно гонщика воздухозаборник) закручивает поток против часовой стрелки (глядя спереди), причем когда поток входит внутрь водухозаборника, то он уже направлен внутрь болида, т.е. на охлаждаемую поверхность. Таким образом, с помощью боковых дефлекторов достигвется 2 цели : снижение лобового сопротивления и более эффективное охлаждение. Устанавливаются они, как правило, между передними колесами и боковыми понтами болида.

В сравнении с предыдущим поколением боковых панелей, новый дизайн является гораздо более сложными и тонким. На картинке сверху изображена конструкция, которая использовалась McLaren в 1993 году. В то время боковые панели представляли собой тонкие ровные поверхности в форме прямоугльника, но сейчас, после эволюции, они представляют собой гораздо более сложные разновидности, как это видно на рисунках справа.
Теперь они приобрели некоторый объем и особые очертания, чтобы направлять воздушный поток в различных направлениях.
Williams и Jordan не имеют боковых панелей там, где распологают их на большинстве болидов. Обе команды устанавливают их между передними колесами и монококом (как раз между рычагами подвески).

     
 
 
   
Arty © 2003 - 2010