آشنایی با اصطلاحات آیرودینامیکی در فرمول یک

فرمول یک ایران – پس از تغییر قوانین رقابت‌های فرمول یک از سال 2014 و جایگزین شدن موتورهای 8 سیلندر 2.4 لیتری با موتورهای 6 سیلندر 1.6 لیتری دارای توربو شارژر و پیچیده تر شدن طراحی موتورها (سیستم تولید قدرت خودروی فرمول یک از شش قسمت – از جمله واحدهای بازیافت انرژی سینتیک (جنبشی) و انرژی حرارتی تشکیل شده و موتور احتراق داخلی یک بخش از کل سیستم می‌باشد و برای نیروی محرکه از واژه “پاوریونیت” که در برگیرنده این شش قسمت است، استفاده می‌شود) سلطه مرسدس در رقابت‌ها آغاز شد. شاید عامل اصلی موفقیت‌های این چند سال مرسدس موتورهایش باشد اما قبل از سال 2014 شرایط به نحوی دیگر بود. با توجه به آنکه عملکرد موتورها تفاوت چندانی با هم نداشت، تیم‌ها بیشتر بودجه خود را صرف توسعه مشخصات ایرودینامیکی خودروها می‌کردند. بسیاری برتری چهار ساله ردبول در خلال سال‌های 2010 تا 2013 را به ویژگی‌های فوق العاده ایرودینامیکی خودروی آن مرتبط می‌دانند. حتی در پنج سال گذشته نیز نمی‌توان منکر اهمیت فوق العاده ایرودینامیک شد؛ چندین تیم از موتورهای مرسدس استفاده می‌کردند اما تنها تیم مرسدس توانسته به فاتح گرندپری‌ها تبدیل شود.

لذا با توجه به اهمیت مبحث ایرودینامیک، در این مطلب بدون وارد شدن به مسائل بیش از حد فنی، با مفاهیم و اصطلاحات رایج مرتبط با آن بیشتر آشنا می‌شویم.

* این مطالب به طور کلی برای مطالعه رفتار سیال و جسم جامد درون آن – که نسبت به هم سرعت نسبی دارند – مطرح می‌شود. در این مقاله به جای استفاده مکرر از لفظ سیال – جامد، از هوا – خودرو استفاده می‌کنیم.

ایرودینامیک: به مطالعه اثراتی که با عبور خودرو از هوا بر خودرو وارد می‌شود گفته می‌شود. شاید کاربرد اصلی آن در صنعت هوافضا باشد اما راه خود را به طراحی خودرو و موتوراسپرت هم باز کرده است. البته در بحث طراحی خودروی فرمول یک چگونه هدایت بهتر هوا به سایدپاد خودرو برای خنک کردن موتور و هدایت به داکت ترمز برای خنک کردن ترمز نیز مدنظر می‌باشد.

شبیه سازی ایرودینامیک

درگ: نیرویی مقاومتی که توسط هوا در خلاف جهت حرکت خودرو به آن وارد می‌شود. این نیرو تاثیر خود را در مسیرهای مستقیم نشان می‌دهد و هرچه کم تر باشد سرعت خودرو بیشتر خواهد بود. نیروی درگ از رابطه زیر محاسبه می‌شود.

رابطه محاسبه نیروی درگ

که در آن A سطح موثر برخورد، V سرعت، p چگالی سیال و Cd ثابت درگ می‌باشد که به هندسه شکل و زاویه برخورد باله با جریان هوا (زاویه حمله) بستگی دارد.

از رابطه بالا مشخص است کاهش ثابت درگ کاهش نیروی درگ را به دنبال خواهد داشت. البته از این نکته نباید غافل شد که بررسی حاصل ضرب ثابت درگ در سطح موثر کاربردی تر است اما در این مطلب تنها بر روی ثابت درگ تمرکز می‌کنیم.

drag-shapes

با توجه به طراحی خودروی فرمول یک و شکل ظاهری آن ممکن است در نگاه اول چنین پنداشته شود که ضریب درگ این خودروها کم تر از خودروهای معمول است اما بر خلاف تصور عموم، ضریب درگ خودروی فرمول یک، سه تا چهار برابر سدان‌های معمولی و حتی بیشتر از ضریب درگ اتوبوس شهری است!

ثابت درگ برای خودروی فرمول یک بین بازه 0.7 تا 1.1 قرار دارد در حالی که سوپراسپرت‌هایی مانند فراری کالیفرنیا و مکلارن F1 دارای ثابت درگ 0.32 و سدان‌های معمولی مانند آئودی A4 و هیوندا سوناتا دارای ثابت درگ0.23 و 0.24 می‌باشند. حال این سوال پیش می‌آید که چگونه سریع ترین خودروی مسابقه‌ای دارای بیشترین ثابت درگ است و یا سوپر اسپرت‌ها ثابت درگ بیشتری نسبت به سدان‌های معمولی دارند؟ برای پاسخ ابتدا با مفهوم داون فورس آشنا می‌شویم.

داون فورس: به نیرویی که توسط گرانش و جریان هوا به سمت پایین وارد می‌شود و باعث چسبندگی بیشتر خودرو به زمین می‌شود داون فورس می گویند. با افزایش وزن می‌توان داون‌فورس را افزایش داد اما در مقابل، فرمان پذیری بسیار کم می‌شود و علاوه بر این به موتوری قدرتمندتر برای سرعت گیری در مستقیمی‌ها نیاز است.

لذا در طراحی خودروی مسابقه ای چگونگی هدایت جریان هوا برای تولید وزنی مجازی – که به آن داون فورس می‌گوییم – حائز اهمیت است. نیروی داون فورس در پیچ‌ها خود را نشان می‌دهد؛ داون فورس بیشتر و به دنبال آن چسبندگی بیشتر این امکان را به راننده می‌دهد تا در پیچ سرعت بالاتری داشته باشد و در خروج از پیچ نیز ترکشن یا کشش بهتری برای شتاب گیری در اختیار داشته باشد.

فقدان آن کم فرمانی و بیش فرمانی (بسته به از دست دادن چسبندگی چرخ‌های جلو یا عقب) را به دنبال خواهد داشت. به طور تقریبی خودروی فرمول یک در بیشینه سرعت داون فورسی معادل با 5 برابر وزنش تولید می‌کند.

عبور جریان هوا از خودرو

رابطه‌ای مشابه نیروی درگ را می‌توان برای محاسبه داون فورس نیز استفاده کرد:

رابطه محاسبه نیروی داون فورس

که در آن Cl ثابت لیفت (و یا داون‌فورس) می‌باشد.

شاید بار‌ها شنیده باشید که خودروهای فرمول یک و به طور کلی ماشین‌های مسابقه ای عکس هواپیما عمل می‌کنند. طبق قانون برنولی انرژی در یک خط جریان ثابت می‌ماند (به زبان ساده مجموع فشار و مجذور سرعتِ هم بعد شده ثابت است). بال‌های هواپیما به نحوی طراحی شده اند که جریان هوا را طوری به بالا و پایین بال هدایت کنند که سرعت در بالای بال بیشتر و در نتیجه فشار کم تر و در زیر بال سرعت کم تر و فشار بیشتر باشد. در نتیجه این اختلاف فشار، نیرویی به سمت بالا تولید می‌شود. عکس این اتفاق در یک خودروی فرمول یک رخ می‌دهد؛ سرعت جریان هوا در زیر خودرو بیشتر و فشار کم تر است. در نتیجه اختلاف فشار نیرویی (داونفورس) به سمت پایین تولید می‌کند.

کاربرد رابطه برنولی در طراحی هواپیما و خودرو

پس دو نیروی اساسی در طراحی مد نظر قرار می‌گیرد؛ نیروی داون فورس که تاثیر خود را در پیچ‌ها نشان می‌دهد. هرچه خودرو داون فورس بیشتری داشته باشد، چسبندگی ایرودینامیکی بیشتر و در نتیجه چسبندگی مکانیکی بیشتری خواهد داشت و در پیچ‌ها با سرعت بالاتری عمل می‌کند و علاوه بر این در خروج از پیچ شتابگیری بهتری خواهد داشت. دیگری نیروی درگ که نیروی مقاوم در مقابل حرکت است و تاثیر خود را در مستقیمی‌ها و کفی پیست نشان می‌دهد.

طراحان پیست نیز سعی می‌کنند خودروها را بر همین اساس به چالش بکشند. پیست‌ها از سه سکتور تشکیل شده اند و معمولاً این سه سکتور از لحاظ ماهیت پیچ‌ها و ترکیبشان به گونه ای شکل می‌گیرند که قابلیت‌های مختلف خودرو و راننده را بسنجند. به همین علت است که فرضاً در یک پیست خودروی مرسدس در سکتورهای یک و سه قوی تر است و خودروی ردبول در سکتور دوم.

اما چالش طراحی جایی پیش می‌آید که بدانیم این دو نیرو رابطه مستقیم با هم دارند و نه عکس. لذا با افزایش داون فورس (مطلوب) درگ نیز افزایش پیدا می‌کند (نامطلوب) و برعکس. پس چالش اصلی طراحی، بهینه سازی این دو نیروست.

حال می‌توانیم به پاسخ این سوال بپردازیم که چرا ثابت درگ در خودروی فرمول یک بالاست. اولین دلیل مربوط به ساختار آن‌هاست که توسط قوانین مشخص شده است. برای مثال کاکپیت خودرو و یا بیرون قرار گرفتن چرخ‌ها از بدنه خودرو ضریب درگ را افزایش می‌دهد. طبق قوانین، خودروی فرمول یک باید از نوع Open-wheel باشد و لذا تیم‌ها اختیاری در تغییر این عامل ندارند. اما دلیل دوم وجود باله‌های جلو و عقب و دیفیوزر خودرو می‌باشد. هدف اصلی باله‌ها تولید نیروی داون فورس است و حضورشان به شدت بر ثابت درگ تاثیر می‌گذارد. تیم‌ها با تغییر تنظیمات خودرو (ست آپ) می‌توانند ثابت درگ را تغییر دهند و برای پیست‌هایی که نیاز به داون فورس بیشتر می‌باشد مانند موناکو، این ثابت به 1.1 می‌رسد و برای پیست‌های سریع مانند مونزا تا 0.7 کاهش پیدا می‌کند. اما چرا در طراحی خودروی فرمول یک، داون فورسِ بیشتر به درگِ کم تر ترجیح داده می‌شود؟

به طور تقریبی تخمین زده می‌شود که از بین بردن درگ تا حدی که امکان پذیر است، بین سه تا پنج درصد زمان را بهبود می‌بخشد در حالی که داشتن داون فورس مناسب تا 25 درصد می‌تواند زمان دور زدن را کوتاه تر کند. به طور مثال فرض کنید یک دور پیست در یک دقیقه و چهل ثانیه یا به عبارتی دیگر در 100 ثانیه زده شود. با غلبه بر درگ این زمان نهایتاً به 95 ثانیه کاهش می‌یابد در حالی که بهبود داون فورس تا 75 ثانیه زمان دور زدن را پایین می‌آورد. پس بدیهی است داون فورس ارزش بیشتری نسبت به درگ داشته باشد.

علاوه بر این خودروی فرمول یک به کمک موتور قدرمندش (600 اسب بخار یا بیشتر به علاوه 160 اسب بخار اضافی در سی ثانیه در یک دور) و وزن کمشان مشکلی برای رسیدن به سرعت‌های بالا – 370 کیلومتر در ساعت – در صورت نیاز، نخواهند داشت. از این نکته نیز نباید غافل شد که کمینه کردن مصرف سوخت در خودروهای مسابقه‌ای و سوپراسپرت‌ها بر خلاف سدان‌های معمولی از اهداف طراحی نیست لذا طراحان نگرانی بایت افزایش قدرت موتور و مصرف سوخت ندارند.

لذا وقتی از خودروی فرمول یک به عنوان سریع ترین خودرو نام می‌بریم اشاره به سریع ترین خودرو در پیست می‌کنیم؛ برای مثال سوپراسپرت افسانه بوگاتی ویرون با قدرت 1000 اسب بخار، یک دور پیست برنامه تلویزیونی تخت گاز را در یک دقیقه و 16 ثانیه طی می‌کند در حالی که آمار ثبت شده برای خودروی فرمول یک سال 2004 رنو در همان پیست و در شرایط بارانی 59 ثانیه می‌باشد. اما در یک مسیر مستقیم ویرون با سرعت 430 کیلومتر بر ساعت می‌تواند بر خودروی فرمول یک غلبه کند.

حال که دانستیم عبور جریان هوا از خودرو و چگونگی هدایت این جریان حائز اهمیت است، باید به این نکته توجه کنیم که جریان هوا پس از عبور از خودرو دچار تغییر می‌شود و بدیهی است که عملکرد خودرویی که در پشت خودرویی دیگر قرار دارد، تحت تاثیر خودروی جلویی قرار گیرد. زیرا خودروی عقب هوای دست نخورده ای برای به کار گیری در اختیار نخواهد داشت. در ادامه به بررسی این اثر می‌پردازیم و خواهیم دید که این تاثیر می‌تواند هم مثبت و هم منفی باشد.

خلاء پشت (Slipstream): به منطقه‌ای در پشت خودروی در حال حرکت گفته می‌شود که جریان هوا دارای سرعتی مشابه با خودرو است در مقایسه با هوای اطراف که ساکن می‌باشد. در اتومبیلرانی استفاده از خلا پشت (Slipstreaming) تکنیکی است که راننده در مستقیمی‌ پیست با قرار گرفتن در فضای پشت خودروی جلویی، مزیتی نسبی در سرعت به دست می‌آورد و سعی می‌کند در صورت داشتن قدرت موتور کافی قبل از رسیدن به پیچ بعد در موقعیت سبقت گیری قرار گیرد و یا سبقت را کامل کند.

استفاده از خلا پشت

می‌توان گفت با توجه به اینکه در محدوده خلإ پشت فشار جریان هوا نسبت به سایر نقاط کم تر است، این خلإ نسبی، نیروی مکشی ایجاد می‌کند. لذا با قرار گرفتن جسمی‌ (خودرو) در این ناحیه این مکش از بین رفته و کمی‌ به سرعت خودروی جلویی نیز افزوده می‌شود هرچند این افزایش سرعت قابل مقایسه با افزایش سرعت خودرویی که در پشت قرار گرفته نیست.

هوای آشفته (Dirty Air): جریان هوایی که با گذر از باله‌های جلو و عقب دچار آشفتگی (Turbulence) می‌شود و پروفایل سرعت در آن مانند جریان آرام منظم نخواهد بود. همان‌طور که پیش از این اشاره شد خودروها برای تولید داون‌فورس از جریان هوا استفاده می‌کنند لذا با در اختیار نداشتن هوای مناسب بخشی از داون‌فورس و چسبندگی را از دست خواهند داد.

تاثیر هوای آشفته بر خودروی عقبی

به همین علت است که رانندگان هنگامی‌ که در پیچ‌ها در فاصله کمی‌ از خودروی جلویی قرار می‌گیرند بعضاً مسیر مسابقه ای (Racing Line) متفاوتی را نسبت به راننده جلویی انتخاب می‌کنند تا کم تر تحت تاثیر هوای آشفته قرار گیرند.

حرکت در پشت خودرو در پیچ‌ها علاوه بر اینکه کنترل خودرو را دشوار می‌کند، عدم خروج مناسب خودرو از پیچ را نیز به دنبال خواهد داشت و در پی عدم خروج مناسب، راننده فرصت کافی برای قرار گیری در خلإ پشت و سبقت گیری را نخواهد داشت. مشکلی که سعی شده با طراحی سیستم DRS تا حدی برطرف شود.