Көліктің аэродинамикалық сипаттамалары арқылы төмен қарайтын күш

Кіріспе

Көлік құралының аэродинамикалық қасиеттері арқасында туындайтын төмен қарайғы көтергіш күш.

Төмен қарайғы көтергіш күш – көлік құралының аэродинамикалық қасиеттері арқасында туындайтын төмен қарайғы көтергіш күш. Егер көлік автомобиль болса, төмен қарайғы күштің мақсаты – дөңгелектерге тік күшті арттыру арқылы автомобильдің жылдамдығын арттыру, соның салдарынан жақсырақ ұстауға қол жеткізу. Егер көлік құралы – тұрақты қанатты ұшақ болса, көлденең стабилизатордағы төмен қарайғы күштің мақсаты – бойлық тұрақтылықты сақтау және ұшқышқа ұшақты бұрылыс бойынша басқаруға мүмкіндік беру.

Денесі

Көліктің жоғарғы жағының дөңгелек және жіңішке пішіні ауамен кесу және желдің қарсылығын азайту үшін жасалған. Көліктің үстіне ұсақ құрамдас бөліктер қосылып, ауаның тегіс ағынын қамтамасыз етеді, осы арқылы төменгі күшті тудыратын элементтерге (мысалы, қанаттар немесе спойлерлер және шассидің астындағы туннельдер) жетеді. Көліктің жалпы пішіні ұшақ қанатына ұқсайды. Осы пішіннің нәтижесінде жол көліктерінің көбісі аэродинамикалық көтерілу күшіне ие болады. Бұл күшті тепе-теңдеу үшін көптеген техникалар қолданылады. Көбінесе жол көліктерінің профилін қарағанда, алдыңғы бампер ең төменгі жерден арақашықтыққа ие, одан кейін алдыңғы және артқы дөңгелектер арасындағы бөлім, содан кейін артқы бампер, әдетте ең жоғары арақашықтықпен. Осы орналасу арқасында алдыңғы бампердің астынан өтетін ауаның көлденең қимасы тарылып, қысым төмендейді. Қосымша төменгі күш көліктің корпусының бұрышынан (немесе қисаюынан) туындайды, ол шассидің астындағы ауаны жоғары қарай бағыттап, төмен қарай күш жасайды, ал ауа ағынының бағыты бетке перпендикуляр келгендіктен, көліктің үстіндегі қысымды арттырады. Көлем ауа қысымына әсер етпейді, себебі ол жабық кеңістік емес, жалған түсініктерге қарамастан. Жарыс машиналарынде бұл эффектті күшейту үшін артқы диффузор қосылады, ол диффузордың алдындағы көліктің астындағы ауаны жылдамдатып, артындағы ауа қысымын көтереді, соның салдарынан көліктің соңындағы ауа ағыны азаяды. Downforce-ті жақсарту және/немесе қарсылықты азайту үшін шассидің астындағы басқа аэродинамикалық компоненттерге бөлігіштер мен вихрь генераторлары жатады. Кейбір көліктерде, мысалы DeltaWing-те, қанаттар жоқ және олардың барлық төменгі күші дене арқылы жасалады.

Алдыңғы

Көліктің алдыңғы жағындағы қанаттардың екі мақсаты бар. Біріншіден, олар алдыңғы дөңгелектердің жолмен жабысуын күшейтетін төмен қарай бағытталған күшті (downforce) жасайды, екіншіден, машинаның қалған бөлігіне ауа ағынын жақсартады (немесе бұзылыстарды азайтады). Ашық дөңгелекті машиналардың алдыңғы қанаттары жарыс барысында жиналатын деректерге сәйкес үнемі өзгертіліп отырады және әрбір жарыс трассасының ерекшеліктеріне қарай реттеледі (жоғарыдағы суреттерді қараңыз). Көптеген жарыс серияларында қанаттар тіпті жарыс кезінде машинаға техникалық қызмет көрсету барысында реттеуге арналған болып жасалады.

Арқасы

Көліктің артқы жағындағы ауа ағынына алдыңғы қанаттар, алдыңғы дөңгелектер, айналар, жүргізушінің шлемі, бүйірлік панельдер және эгзостық жүйе әсер етеді. Бұл артқы қанаттың алдыңғы қанатқа қарағанда аэродинамикалық тиімділігінің төмендеуіне себеп болады. Дегенмен, машинаның басқаруын сақтап, тепе-теңдігін ұстау үшін артқы қанат алдыңғы қанаттардан екі еседен астам күш түсіруге тиіс болғандықтан, оның көлденең қатынасы әдетте әлдеқайда үлкен болады және көбінесе күшті арттыру үшін екі немесе одан да көп элементтер қолданылады (сол жақтағы суретке қараңыз). Алдыңғы қанаттар сияқты, осы элементтердің әрқайсысы машинаға техникалық қызмет көрсету кезінде, жарысқа дейін немесе тіпті жарыс барысында реттелуі мүмкін және оларға үнемі назар аударылып, өзгерістер енгізіледі.

Қанат ерекше орында

Бір жағынан, F1 автомобильдерінің алдыңғы және артқы қанаттарынан төмен күшті азайтуға бағытталған ережелердің нәтижесі ретінде, бірнеше команда қанаттарды орналастыру үшін басқа орындарды іздестірді. 1994 жылдың ортасында автомобильдердің артқы бөлігінде орнатылған кішкентай қанаттар пайда бола бастады және 2009 жылы мұндай құрылғылардың барлығына тыйым салынғанға дейін, барлық F1 автомобильдерінде әлдебір түрінде стандартты болды. Басқа қанаттар автомобильдің әртүрлі бөліктерінде пайда болды, бірақ бұл өзгерістер көбінесе ең көп төмен күш қажет болатын трассаларда, әсіресе Венгрия мен Монако жарыс трассаларында қолданылады. 1995 жылғы McLaren Mercedes MP4/10 – ережелердегі олқылықты пайдаланып, қозғалтқыш қақпағының үстіне қанат орнату арқылы «орталық қанатты» пайдаланған алғашқы автомобильдердің бірі болды. Бұл тәсілді сол кезде барлық командалар бірде-бірде қолданды, ал 2007 жылғы Монако Гран-присінде екі командадан басқа барлығы қолданды. Бұл орталық қанаттарды әрбір автомобильде стандартты түрде орнатылған дөңгелек камераларымен немесе алғашқыда McLaren, кейін BMW Sauber қолданған «бұқа мүйізі» пішіндес ағын бақылау құрылғыларымен шатастыруға болмайды. Олардың негізгі міндеті – ауа ағынын тегістеу және қайта бағыттау, соның арқасында артқы қанатты тиімдірек ету, төмен күшті өндіру емес. Бұл тақырыптың бір түрі – «X қанаттары», олар бүйірлік бөліктердің алдына орнатылған және орталық қанаттар сияқты ережедегі олқылықты пайдаланған. Бұларды алғаш рет Tyrrell 1997 жылы қолданды, соңғы рет 1998 жылғы Сан-Марино Гран-присінде Ferrari, Sauber, Jordan және басқа командалар қолданды. Бірақ жанармай құю кезінде кедергі келтіретіндігі және автомобиль аударылған жағдайда пилотқа қауіп төндіретініне байланысты оларды тыйым салу қажет деп шешілді. (Берни Экклстоун оларды теледидарда көрінуге жарамайды деп салып, тыйым салғаны туралы әңгімелер бар). Әртүрлі қосымша қанаттар уақыт өте келе сыналып келді, бірақ қазіргі уақытта командалар көбінесе алдыңғы және артқы қанаттардың тиімділігін арттыру үшін, McLaren қолданған аталған «бұқа мүйізі» сияқты әртүрлі ағын бақылау құрылғыларын пайдалануға тырысады.

Partly 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). 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.