Формула-1

З роками сильно збільшилися швидкісні характеристики болідів F1, збільшилася здатність швидкого проходу поворотів, і вельми очевидно, що це заслуга так званих антикрил. На початку 60-х років Формула-1 ще не використала цих пристосувань, проте вже в 1968 році команди F1 почали експерементіровать з “незграбними” і “необробленими” аеродинамічними конструкціями, щоб отримати ефект “прилипання” шасі до траси. Перші три види таких конструкцій були дуже простими і ненадійними, тому достатньо часто ламалися в процесі гонки.
На малюнках, представлених нижче, показано два задні антикрила, старого покоління (зліва 1968 рік) і нинішніх технологій (справа 2000 рік).

Вже на протязі трохи більше 30 років аеродинаміка F1 постійно зазнає зміни, і, як ви напевно вже зрозуміли, це найважливіша характеристика боліда. Принцип здійснення функцій антикрил в F1 легко зіставимо з технологіями в літакобудуванні. Але тоді як крила літаків сприяють зльоту і плануванню по повітрю, в F1 антикрила виконують прямопротівоположную функцію - виникнення притискної сили.

Ефект Бернуллі грає величезну роль в діях аеродинамічних поверхонь болідів F1. Ефект Бернуллі виражається рівнянням, відомим як “Рівняння Бернуллі”, яке стверджує, що загальна енергія даного об’єму речовини не змінюється; і це спирається на принцип консервативності енергії. Коли ми розглядаємо відносний рух, то енергія ділиться на три частини:
1. Тиск в повітрі.
2. Кінетична енергія повітря (енергія руху).
3. Потенційна енергія повітря.
І рівняння у такому разі має вигляд:
p + 1/2 r v2 + rgh = а constant
Де: p = тиск;
r = щільність;
v = швидкість повітря;
g = прискорення сили тяжіння;
h = висота відносно опр. рівня.

Але, оскільки в процесі гонки F1 рівень ландшафту міняється не дуже сильно, то останню величину (потенційну енергію) можна прийняти за константу, тоді ми отримуємо:
p + 1/2 r v2 = some other constant
А це ми можемо записати в наступному вигляді:
p + q = H
Де: p = статичний тиск;
q = 1/2 rv2 = тиск, що змінюється;
H = some other constant;

Спершу ми подивимося на аеродинамічну конструкцію “простого” крила літака. Крило розтинає повітря і утворює дві уявні частини повітряного простору, точніше, два разлічніх повітрі потоку. Один з потоків переміщається по поверхні під крилом, інший - над. Із-за конструкції крила частинки верхнього повітряного потоку рухаються “поотдаль” від крила, і прямо протилежна ситуація з нижнім потоком. Це і викликає ефект того, що верхній потік значно швидше ніжнего. Згідно із законом Бернуллі під крилом виявляється більший тиск, чим над крилом, що і сприяє появі так званої підйомної сили (lift).

Зворотна ситуація з антикрилами. Антикрила функціонують абсолютно за тим же принципом, але забезпечують ефект “прилипання” до траси, відбувається це за рахунок форми. Тобто знаючи про звичайне крило, ми легко можемо уявити собі, що є антикрило. Досить просто повернути звичайне крило передньою частиною вниз:

Це якраз ті дві сили, яким присвячена практично вся аеродинамічна конструкція боліда F1.Конструкции антикрил і самого боліда повинні бути абсолютно оптимальні, тобто забезпечення притискної сили повинне бути реалізоване так, щоб це не викликало сили опору, що заважає швидкісному руху, та і сам болід зобов’язаний бути найбільш пристосований до подолання цієї самої сили.
Для обчислення сили опору використовується наступна формула:
F = 1/2Ѕ CDAV2
Де: F = аеродинамічна сила опору;
C = коефіцієнт сили опору;
V = швидкість даного об’єкту;
A = лобова площа;
D = щільність повітря.

В цьому рівнянні D як щільність повітря виражається в kg/m3. Лобова площа - це площа даного об’єкту, схильного до тиску повітря, виразима в m3
Приведена нижче таблиця показує значення коефіцієнта C залежно від поверхні об’єкту.

В F1 можна обчислити загальний коефіцієнт поліпшення (або погіршення) аеродинамічної конструкції, користуючись даною формулою:

Як відомо, зміна характерєїстіки аеродинаміки боліда залежить від заміни або модернізації конкретних деталей. У формулі, запісаной вище, f — відсоток дії сили опору, що доводиться на дану деталь від загальної сили, що діє на весь болід; і даний відсоток при модернізації буде змінений (так наприклад якщо відсоток складає 5%, то f = 0.05). Sf - це так званий коефіцієнт зміни, що є відношенням сили опору на деталь, яка була до модернізації, до тієї, яка стала після. І нарешті, саме значення Seff - це загальний коефіцієнт зміни дії сили опору на болід. Якщо величина цього коефіцієнта приймає значення більше одиниці, то сила опору, поширювана на весь болід, зменшилася, і навпаки, якщо менше одиниці, то збільшилася.

Передні антикрила на боліді забезпечують близько 25% всієї притискної сили, але ця цифра може бути понижена до 10% в той час, коли болід знаходиться за іншим приблизно на відстані 20мм. З’являється ефект “засмоктування” позаду машини, що йде, в передню, відомий як сліпстрім. І коли боліди виявляються на повороті, той, що ззаду йде не може повернути на розвиненій швидкості із-за втрати притискної сили, таким чином пілотові доводиться скидати швидкість, що б безпечне пройти поворот.

Переднє антикрило, ширина якого відповідає ширині самого боліда, прикріпляється до носового обтічника (4) за допомогою пілонов. На цій аеродинамічній поверхні (1) кріпляться дві “стулки” (або елерони) (2), кожна з яких є регульованою частиною антикрила. Як правило, ці закрилки робляться з цілісного шматка карбону. На закінченнях антикрила (зліва і справа) кріпляться спеціальні бічні пластини (або боковини) (3), для забезпечення проходження потоку повітря зверху і знизу щодо поверхні антикрила, не огинаючи його. І ці пластини (3) зіграли величезну роль в аеродинаміці F1.
Конструкція елерона така, що він є ассимітрічним самому собі щодо центральної що розділяє уявленій лінії (якщо дивитися на болід спереду): чим ближче до носового обтічника елерон, тим менше його “висота” (т.е. ближче до носа елерон звужується) Див. малюнок:

Така особливість елерона дозволяє проникати в радіатор більшій кількості повітря, а також пропускати повітряний потік по “днищу” боліда, який потім потрапляє в дифузор, забезпечуючи притискну силу. У випадку, якщо елерони не мають такого звуження, охолоджування радіатором значно зменшується і температура мотора сильно зростає. Також важливо, що чим нижче буде розташовано переднє антикрило, тим краще це впливає на проникнення повітряного потоку в радіатор і дифузор, проте, всім відомо, що є критичне положення, при якому антикрило вже почне зачіпати трасу. Правилами FIA встановлений, що мінімальна відстань між трасою і переднім антикрилом повинна бути 40мм.
У 1998 році з’явилися нововведення в області аеродинаміки F1, що принесло безліч додаткових проблем командам. Із-за того що колеса стали распологаться ближче до монокока, при вигляді спереду, переднє антикрило візуально “лягало внахлест” коліс. Це приводило до турбулентності в зоні передніх коліс, різко знижуючи загальну позитивну характеристику аеродинаміки боліда. Для вирішення цієї нової проблемми (а саме, появи небажаного опору (drag)) команди переробили бічні крила на антикрилі шляхом утворення нових ребер (боковин), таким чином вони направили потік повітря безпосередньо на монокок, огинаючи колесо (див. мал. 1). Пізніше, в наступному сезоні, багато команд утілили нову ідею, помістивши додаткові ребра на зовнішню сторону бічних крил, в даному випадку повітря огинало колеса по зовнішній стороні (див. мал. 2).

Щоб зрозуміти, що є зважаючи на, нижче представлені такі бічні крила(боковини) різних команд, що якраз відповідають за вирішення проблеми. Таке рішення є неоднозначним, і крила різних команд мають достатньо помітні аеродинамічні відмінності .

Прямий потік повітря потрапляє в заднє антикрило, що складається з множини закрилок, викликаючи певні реакції з боку антикрила. (Це спрощене пояснення, оскільки насправді, до того моменту, коли потік возуха досягає заднє антикрило, він зовсім не прямій, тому що сам болід створює деякий ефект турбулентності потоку повітря).

Приблизно третину всієї притискної сили забезпечує заднє антикрило боліда, яке постійно видозмінюється в F1 від траси до траси. Це пристосування може створювати більш 1000Н (Ньютоновий) притискної сили і важить близько 7 кг З огляду на те, що заднє антикрило викликає найбільший опір в боліді, команди видозмінюють будови антикрил для кожної траси. Розглянемо різні конфігурації задніх антикрил на двох прикладах.
Монца в Італії. Швидкісна траса з довгими прямими ділянками і декількома поворотами. Тут, впродовж 70% всієї довжини траси, пілоти їдуть “втиснувши педаль газу в підлогу”. Чим більше кут нахилу пластин заднього антикрила, що створюють притискну силу, тим відповідно більше сила опору, що заважає швидкісному руху боліда. У Монце дуже важлива швидкість, тому команди роблять дуже маленький кут нахилу на задньому антикрилі, щоб подолати проблему сили опору. У Монако, де траса в основному, насищена поворотами, важливою стає вже не швидкість, а притискна сила. На картинці нижче представлені два цих антикрила:
Заднє антикрило зроблене з двох наборів певних аеродинамічних поверхонь, що сполучених між собою і тримаються на торцевідних пластинах (3) заднього антикрила . Верхній набір таких пластин (закрилок) (1) забезпечує найбільшу притискну силу і є як правило найбільш відоїзменяющимся від траси до траси. В більшості випадків цей верхній набір складається з 3-х елементів. Нижній же набір (2) зазвичай складається з двох елементів. За тим же принципом, як утворюється притискна сила (закон Бернуллі), зона низького тиску, прямо під антикрилом, допомагає дифузору засмоктувати повітря, яке так само у свою чергу забезпечує притискну силу.
Найменша аеродинамічна “антікриловая” деталь (з основних), яку можна виявити на боліді, - це дифузор. Насправді принцип дії дифузора прямопротівоположен принципу дії антикрила: замість того, щоб відштовхувати повітря, дифузор засмоктує його. Ефект цей виходить із-за аеродинамічної форми. Дифузор знаходиться в самій нижній, “хвостовій” частині формули, прямо під заднім антикрилом, і об’єм дифузора збільшується у міру наближення його до кінця” боліда (див. верхній мал.). Повітря, що потрапляє в дифузор з-під дна боліда розріджується, за рахунок попадання його в збільшений об’єм дифузора, звідси і ефект засмоктування (всім добре відомий закон, що газ прагне виравніть тиск в системі). Дифузор складається з великої кількості всеразлічних “тонельчиков” і “роздільників”, які акуратно і дуже точно контролюють потоки повітря для кращого засмоктування. Оскільки дифузор знаходиться в зоні вихлопних газів і заднього важеля підвіски, то це накладає жорсткі вимоги на його конструкцію, інакше (при некоректному створенні і регулюваннях дифузора) при зміні швидкості вихлопні гази впливатимуть на аеродинамічний баланс боліда.
P.S. Поява дифузорів обумовлена забороною FIA піднімати “хвостову” частину боліда. В цьому випадку неможливо забезпечити потрібний аеродинамічний ефект без дифузорів.

Це пристосування було вперше застосоване в 1993 році. Без них набігаючий потік повітря йтиме прямо, і, відповідно, тиснути на задню стінку повітрозабірника, створюючи лобовий опір. Дефлектор же (якщо розглянути для прикладу лівий щодо гонщика повітрозабірник) закручує потік проти годинникової стрілки, причому коли потік входить всередину водухозаборника, то він вже направлений всередину боліда, тобто на охолоджувану поверхню. Таким чином, за допомогою бічних дефлекторів достігвется 2 мета : зниження лобового опору і ефективніше охолоджування. Встановлюються вони, як правило, між передніми колесами і бічними понтами боліда.
Порівняно з попереднім поколінням бічних панелей, новий дизайн є набагато складнішим і тонким. На картинці зверху зображена конструкція, яка використовувалася McLaren в 1993 році. У той час бічні панелі були тонкі рівні поверхні у формі прямоугльника, але зараз, після еволюції, вони є набагато складнішими різновидами, як це видно на малюнках справа.
Тепер вони придбали деякий об’єм і особливі контури, щоб направляти повітряний потік в різних напрямах.
Williams і Jordan не мають бічних панелей там, де распологают їх на більшості болідів. Обидві команди встановлюють їх між передніми колесами і монококом (якраз між важелями підвіски).