نوآوری جدید تیم های فرمول یک؛ بالچه بومرنگی

فرمول یک ایران – جدیدترین بروز رسانی که تیم فراری در گرندپری مجارستان 2019 روی خودروی خود اعمال کرده بود در بخش بارج بورد خودرو بود. فرقی که بارج بورد جدید نسبت به مدل های قبلی کرده بود (علاوه بر تغییر شکل کلی نسبت به مسابقات قبلی)، اضافه شدن بالچه ای موسوم به بالچه بومرنگی در بخش بالایی پره های هدایت کننده عمودی جریان هوا بود. این بالچه برای اولین بار در فصل 2018 روی خودروی W09 مرسدس ظاهر شد و از آن زمان تیم های دیگر نیز به طور پیوسته، این اِلِمان را به خودرو های خود اضافه کردند.

تیم مک لارن این عنصر را از همان مسابقه ابتدایی فصل 2019 روی خودروی MCL34 خود اضافه کرد در حالی که باقی تیم ها این عنصر را در طول فصل و همراه با ارتقای خودروی خود معرفی کردند. تیم های آلفارومئو و ردبول در گرندپری فرانسه، ویلیامز در سیلورستون انگلیس و هاس و تورو روسو نیز در گرندپری آلمان این مورد را به خودرو های خود اضافه کردند.

اما تاثیر این اِلِمان در چیست و چرا مهندسان تا این حد به آن علاقه مند شده اند؟

همان طور که می دانید خودرو های فرمول یک برای پایداری و تعادل مناسب در هنگام عبور از پیچ ها به مقدار قابل توجهی نیروی رو به پایین یا داون فورس نیاز دارند (البته این مقدار بنا به ساختار و شکل پیست ها متفاوت می باشد). اما برعکس، بالچه ی بومرنگی المانی است که به جای تولید نیروی رو به پایین، مقدار کمی نیروی برآ یا لیفت تولید می کند. بر خلاف نیروی رو به پایین، لیفت زمانی ایجاد می شود که هوا با گذر از سطحی موجب تولید نیرویی به سمت بالا شود، همانند آنچه که در بال های هواپیما اتفاق می افتد. البته لازم به ذکر است که لیفت به طور اجتناب ناپذیری در برخی از نقاط خودروی فرمول یک تولید می شود و گریزی از آن وجود ندارد. ناحیه ای که بیشترین سهم در تولید نیروی لیفت در خودروی فرمول یک را دارد، سطح بالایی سایدپاد های خودرو می باشد. اگر چه این لیفت به وسیله ی نیروی رو به پایین تولیدی توسط بال ها و کف خودرو خنثی می شود اما با این حال مهندسان آیرودینامیک معمولا وقت بسیاری را برای کم و یا حتی ریشه کن کردن این مقدار لیفت می گذارند. بنابراین با توجه به موارد گفته شده چرا آن ها با اضافه کردن بالچه بومرنگی به بخش بارج بورد خودرو در صدد تولید نیروی برآ یا لیفت هستند؟

بارج بورد خودروی فراری در گرندپری مجارستان 2019 به همراه بالچه بومرنگی

پاسخ این است که نیروی لیفت در اطراف خود حباب هوایی پر فشاری ایجاد می کند. پس بالچه بومرنگی در اطراف ناحیه ی بارج بورد مقداری لیفت ایجاد کرده و این لیفت نیز همان طور که گفته شد باعث ایجاد هوای پر فشار در اطراف خود می شود. مسئله ای که باید در نظر بگیرید این است که هوا در نزدیکی سطح جایی که از آن به عنوان لایه مرزی تعبیر می شود دوست دارد به منطقه کم فشاری هدایت شود که طبق قانون برنولی این امر منجر به افزایش سرعت می شود اما دوست ندارد به ناحیه پرفشار برگردد تا از سرعت آن کاسته شود. بنابراین جریان هوایی که از سیستم تعلیق به سمت بارج بورد ها سرازیر می شود به دلیل ناحیه پر فشاری که در اطراف بالچه بومرنگی در قسمت بالایی پره های عمودی ایجاد شده است، تمایل بسیاری دارد که به سمت قسمت بیرونی و خارجی خودرو سرازیر شود و قرار دادن پره های هدایت کننده با زاویه بیشتر نیز می تواند بدون از هم پاشیدگی مولکول های هوا، این اثر را تقویت کند. این امر به نوبه ی خود موجب افزایش جریان هوای بیرون رانشی (هوای بیرون رانش یا Outwash به جریان هوای قسمت کناری تایر ها گفته می شود که توسط بال جلو و صفحه انتهایی آن به این قسمت هدایت می شود) که در قسمت کناری تایر های جلو ایجاد می شود شده و با پیوستن به این جریان آن را تقویت می کند و در نهایت این مورد موجب جدایی بهتر و بیشتر جریان هوای بیرون رانش از جریانی که به سمت کف خودرو و دیفیوزر ها روانه شده می شود. بنابراین به طور خلاصه هدف افزایش جریان هوای کف خودرو می باشد. حال هر چه این دو جریان هوا با شدت بیشتری از هم جدا شوند، هنگامی که خودرو به پیچ می رسد هوایی که به سمت کف خودرو جاری شده مدت بیشتری در آن فصا باقی می ماند. بنابراین موجب افزایش نیروی رو به پایین خودرو در پیچ ها و زمانی که سرعت خودرو پایین است می شود.

بالچه بومرنگی مورد استفاده توسط تیم های مرسدس و مک لارن

از آن جایی که هوای عبوری از دماغه خودرو و سیستم تعلیق تمایل دارند تا به سمت کف خودرو حرکت کنند، بارج بورد ها با جدا کردن هوای بیرون رانش از هوای مایل به سمت کف خودرو و بالچه بومرنگی با ایجاد نواحی پر فشار و کم فشار موجب تقویت و بهینه کردن جریان هوای کف خودرو و در نهایت افزایش نیروی رو به پایین تولیدی توسط این ناحیه می شوند.

با تنظیم دقیق آیرودینامیکی خودرو و نیروی رو به پایینی که توسط کف خودرو و هوای بیرون رانشِ تقویت شده به دست آمده، لیفت تولیدی توسط بالچه بومرنگی خود به خود خنثی می شود.