نیروی رو به پایین
نیروی رو به پایین (به انگلیسی: Downforce) یک نیروی بالابر رو به پایین است که توسط ویژگی‌های آیرودینامیکی یک وسیله نقلیه ایجاد می‌شود. اگر وسیله نقلیه یک خودرو است، هدف از نیروی رو به پایین این است که با افزایش نیروی عمودی روی لاستیک‌ها به خودرو اجازه دهد سریع‌تر حرکت کند و در نتیجه چسبندگی بیشتری ایجاد کند. اگر وسیله نقلیه یک هواپیمای بال ثابت باشد، هدف از نیروی رو به پایین روی پایدارکننده افقی و حفظ پایداری طولی و اجازه دادن به خلبان برای کنترل هواپیما در زمین است.
اصول بنیادی
ویرایشهمان اصلی كه اجازه می‌دهد با ایجاد بالابر از بال‌هایش از زمین بلند شود، برای اعمال نیرویی كه خودروی مسابقه را روی سطح پیست فشار می‌دهد، به صورت معكوس استفاده می‌شود. این اثر به عنوان "گیرش آیرودینامیکی" شناخته می‌شود و از "گیرش مکانیکی" که تابعی از جرم، لاستیک‌ها و سیستم تعلیق خودرو است متمایز می شود. ایجاد نیروی رو به پایین توسط دستگاه‌های غیرفعال تنها با بهای افزایش پسار آیرودینامیکی (یا اصطکاک) قابل دستیابی است، و تنظیم بهینه تقریباً همیشه یک مصالحه بین این دو است. تنظیمات آیرودینامیک برای یک خودرو بسته به طول مسیرهای مستقیم و انواع پیچ‌ها می‌تواند به طور قابل توجهی بین مسیرهای مسابقه متفاوت باشد. از آنجایی که تابعی از جریان هوا بر روی و زیر خودرو است، نیروی رو به پایین با مجذور سرعت خودرو افزایش می‌یابد و به حداقل سرعت معینی نیاز دارد تا اثر قابل توجهی ایجاد کند. برخی از خودروها آیرودینامیک نسبتاً ناپایداری داشته‌اند، به طوری که یک تغییر جزئی در زاویه حمله یا ارتفاع وسیله نقلیه می‌تواند باعث تغییرات زیادی در نیروی رو به پایین شود. در بدترین موارد، این امر می‌تواند باعث شود که ماشین بالابرنده شود، نه نیروی رو به پایین؛ به عنوان مثال، با عبور از روی یک دست انداز در یک مسیر یا جریان پس‌رو از روی یک باله: این می‌تواند عواقب فاجعه باری داشته باشد، مانند مرسدس-بنز سی‌ال‌آر با رانندگان مارک وبر و پیتر دامبرک در مسابقه ۲۴ ساعته لمانز ۱۹۹۹، که پس از تعقیب خودروی رقیب، به طرز چشمگیری خودرو به سمت بالا ۵۰ متر پرواز کرد و واژگون شد.
دو جزء اصلی یک ماشین مسابقه را می‌توان برای ایجاد نیروی رو به پایین در هنگام حرکت خودرو با سرعت مسابقه استفاده کرد:
- شکل بدنه و
- استفاده از ماهی‌واره‌ها.
اکثر فرمول‌های مسابقه ممنوعیتی برای دستگاه‌های آیرودینامیک دارند که می‌توان آن‌ها را در طول مسابقه تنظیم کرد، به جز در پیت استاپ‌ها نمی‌توان تنظیم کرد.
نیروی رو به پایین اعمال شده توسط یک باله معمولاً به عنوان تابعی از ضریب برآر آن بیان می‌شود:
اینجا:
- F نیروی رو به پایین است (یکای SI: نیوتن)
- CL ضریب برآر است
- ρ چگالی هوا است (یکای SI: kg/m3)
- v سرعت برداری است (یکای SI: m/s)
- A مساحت بال است (یکای SI: متر مربع)، که در صورت استفاده از پایه ناحیه بال بالا برای CL، که به طول بازه بال و وتر آن در صورت استفاده از پایه ناحیه جلویی بستگی دارد، یا به طول بال و ضخامت بال در صورت استفاده از ناحیه جلویی در محدوده خاصی از شرایط عملیاتی و زمانی که بال متوقف نمی‌شود، ضریب بالابر مقدار ثابتی دارد: سپس نیروی رو به پایین با مجذور سرعت هوا متناسب است.
در محدوده خاصی از شرایط عملیاتی و زمانی که بال متوقف نمی‌شود، ضریب بالابر مقدار ثابتی دارد: سپس نیروی رو به پایین با مجذور سرعت هوا متناسب است.
در آیرودینامیک، معمولاً از ناحیه پیش بینی شده از بالا به عنوان سطح مرجع برای تعیین ضریب بالابر استفاده می‌شود.
بدنه
ویرایشThe rounded and tapered shape of the top of a car is designed to slice through the air and minimize wind resistance.[نیازمند منبع] Detailed pieces of bodywork on top of the car can be added to allow a smooth flow of air to reach the downforce-creating elements (e.g., wings or spoilers, and underbody tunnels).[نیازمند منبع]
The overall shape of a car resembles an airplane wing. Almost all road cars produce aerodynamic lift as a result of this shape.[۱] There are many techniques that are used to counterbalance this lift. Looking at the profile of most road cars, the front bumper has the lowest ground clearance followed by the section between the front and rear tires, and followed by a rear bumper, usually with the highest clearance.[نیازمند منبع] Using this layout, the air flowing under the front bumper will be constricted to a lower cross-sectional area, and thus achieve a lower pressure.[نیازمند منبع] Additional downforce comes from the rake (or angle) of the vehicle's body, which directs the underside air up and creates a downward force, increasing the pressure on top of the car because the airflow direction comes closer to perpendicular to the surface.[نیازمند منبع] Volume does not affect the air pressure because it is not an enclosed volume, despite the common misconception.[نیازمند منبع] Race cars amplify this effect by adding a rear diffuser to accelerate air under the car in front of the diffuser, and raise the air pressure behind it, lessening the car's wake.[نیازمند منبع] Other aerodynamic components that can be found on the underside to improve downforce and/or reduce drag, include splitters and vortex generators.[نیازمند منبع]
Some cars, such as the DeltaWing, do not have wings, and generate all of their downforce through their body.[نیازمند منبع]
ماهی‌واره (اِیرفُویل)
ویرایشThe magnitude of the downforce created by the wings or spoilers on a car is dependent primarily on three things:
- The shape, including surface area, aspect ratio and cross-section of the device,
- The device's orientation (or angle of attack), and
- The speed of the vehicle.
A larger surface area creates greater downforce and greater drag. The aspect ratio is the width of the airfoil divided by its chord. If the wing is not rectangular, aspect ratio is written AR=b2/s, where AR=aspect ratio, b=span, and s=wing area. Also, a greater angle of attack (or tilt) of the wing or spoiler, creates more downforce, which puts more pressure on the rear wheels and creates more drag.
جلو
ویرایشThe function of the airfoils at the front of the car is twofold. They create downforce that enhances the grip of the front tires, while also optimizing (or minimizing disturbance to) the flow of air to the rest of the car. The front wings on an open-wheeled car undergo constant modification as data is gathered from race to race, and are customized for every characteristic of a particular circuit (see top photos). In most series, the wings are even designed for adjustment during the race itself when the car is serviced.
عقب
ویرایشThe flow of air at the rear of the car is affected by the front wings, front wheels, mirrors, driver's helmet, side pods and exhaust. This causes the rear wing to be less aerodynamically efficient than the front wing, Yet, because it must generate more than twice as much downforce as the front wings in order to maintain the handling to balance the car, the rear wing typically has a much larger aspect ratio, and often uses two or more elements to compound the amount of downforce created (see photo at left). Like the front wings, each of these elements can often be adjusted when the car is serviced, before or even during a race, and are the object of constant attention and modification.
باله در مکان‌های غیر معمول
ویرایشPartly as a consequence of rules aimed at reducing downforce from the front and rear wings of F1 cars, several teams have sought to find other places to position wings. Small wings mounted on the rear of the cars' sidepods began to appear in mid-1994, and were virtually standard on all F1 cars in one form or another, until all such devices were outlawed in 2009. Other wings have sprung up in various other places about the car, but these modifications are usually only used at circuits where downforce is most sought, particularly the twisty Hungary and Monaco racetracks.
The 1995 McLaren Mercedes MP4/10 was one of the first cars to feature a "midwing", using a loophole in the regulations to mount a wing on top of the engine cover. This arrangement has since been used by every team on the grid at one time or another, and in the 2007 Monaco Grand Prix all but two teams used them. These midwings are not to be confused either with the roll-hoop mounted cameras which each car carries as standard in all races, or with the bull-horn shaped flow controllers first used by McLaren and since by BMW Sauber, whose primary function is to smooth and redirect the airflow in order to make the rear wing more effective rather than to generate downforce themselves.
A variation on this theme was "X-wings", high wings mounted on the front of the sidepods which used a similar loophole to midwings. These were first used by Tyrrell in 1997, and were last used in the 1998 San Marino Grand Prix, by which time Ferrari, Sauber, Jordan and others had used such an arrangement. However it was decided they would have to be banned in view of the obstruction they caused during refueling and the risk they posed to the driver should a car roll over. (It is rumored that Bernie Ecclestone saw them as being too ugly on television and therefore had them banned).[نیازمند منبع]
Various other extra wings have been tried from time to time, but nowadays it is more common for teams to seek to improve the performance of the front and rear wings by the use of various flow controllers such as the afore-mentioned "bull-horns" used by McLaren.
جستارهای وابسته
ویرایشدر ادامه مطلب
ویرایش- Simon McBeath, Competition Car Downforce: A Practical Handbook, SAE International, 2000, شابک ۱−۸۵۹۶۰−۶۶۲−۸
- Simon McBeath, Competition Car Aerodynamics, Sparkford, Haynes, 2006
- Enrico Benzing, Ali / Wings. Progettazione e applicazione su auto da corsa. Their design and application to racing car, Milano, Nada, 2012. Bilingual (Italian-English)
منابع
ویرایش- ↑ Katz, Joseph (1995). Race car aerodynamics: designing for speed. Robert Bentley, Incorporated. p. 50,52. ISBN 9780837601427. As retrieved from http://hpwizard.com/aerodynamics.html on Feb 28, 2020
پیوند به بیرون
ویرایش- Aerodynamics In Car Racing بایگانی‌شده در ۲۰۰۹-۱۲-۰۶ توسط Wayback Machine