F1LIVE.GR

Η αεροδυναμική ενός μονοθεσίου είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας για την αύξηση της ταχύτητας του. Επειδή οι κανονισμοί απαγορεύουν τροποποιήσεις στον κινητήρα (turbo και διάφορες βελτιώσεις) και επίσης επειδή οι στροφές του κινητήρα έχουν περιοριστεί, για αυτό και ο πιο σημαντικός παράγοντας που μπορεί να επηρεάσει το αποτέλεσμα της ταχύτητας ενός μονοθεσίου είναι η αεροδυναμική. Θα εξηγήσουμε παρακάτω, πως επηρεάζει η αεροδυναμική την πορεία ενός επιβατικού οχήματος και ενός μονοθεσίου.
Σε ένα όχημα το οποίο κινείτε εξετάσουμε τη ροή του αέρα  γύρω από το όχημα. Αυτή η ροή χωρίζεται σε δύο ροές. Αυτές είναι:

ΡΟΪΚΟ ΠΕΔΙΟ ΓΥΡΩ ΑΠΟ ΤΟ ΟΧΗΜΑ

Σημείο 1: Δημιουργία μεγάλης πίεσης
Σημείο 2: Δημιουργία στροβιλισμών – Μικρή πίεση – Αποκόληση ροής (απόνερο)

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑ

Επειδή όπως βλέπουμε έχουμε δημιουργία διαφορετικών δυνάμεων πίεσης στο εμπρός τμήμα του οχήματος και διαφορετικές στο πίσω, το αποτέλεσμα είναι η δημιουργία μιας δύναμης η οποία έχει κατεύθυνση ίδια με τη ροή του αέρα, δηλαδή αντίθετα με την πορεία του οχήματος. Η δύναμη αυτή ονομάζεται αεροδυναμική αντίσταση W.

W = C_X•A•(ρ/2)•U2

C_X: Αδιάστατος συντελεστής αντίστασης
Α: Μετωπική επιφάνεια οχήματος
U: Ταχύτητα οχήματος
ρ: Πυκνότητα

Σκοπός της αεροδυναμικής είναι η μείωση του συντελεστή Cx. Αυτό γίνεται με βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής μορφής του οχήματος. Για να μειωθεί ο Cx πρέπει το όχημα να έχει «κόψιμο» στο πίσω μέρος του (σπορ οχήματα).

ΑΡΙΘΜΟΣ MACH – ΑΓΩΝΙΣΤΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ

M_ach = Va/a

V_a = Ταχύτητα οχήματος
a = Ταχύτητα ήχου

Οι πιέσεις στην επάνω επιφάνεια του αυτοκινήτου, είναι πολύ χαμηλότερες από ότι στην κάτω. Έτσι δημιουργείτε μια δύναμη κάθετη στη διεύθυνση του αυτοκινήτου. Αυτή η δύναμη ονομάζεται άνωση Α. Εκτός από τη μείωση του αεροδυναμικού συντελεστή Cx, σκοπός της αεροδυναμικής είναι και η μείωση της άνωσης.

ΕΞΙΣΩΣΗ BERNULLI

Pολ = P + (ρ/2)•U2
Pολ = Ολική πίεση
P = Στατική πίεση
(ρ/2)•U² = Δυναμική πίεση

Παρατηρούμε στο σχήμα ότι ο αέρας εισέρχεται με πίεση P1 και με διατομή A1, και με ταχύτητα V1. Καθώς τώρα στενεύει η διατομή από A1 σε Α2 (Α2<Α1), τότε η ταχύτητα του αέρα αυξάνεται από V1 σε V2 (V2>V1), αλλά η πίεση του αέρα μειώνεται (P2<P1). Επομένως αυτό που καταφέρνουμε είναι με μικρότερη πίεση, να έχουμε μεγαλύτερη ταχύτητα. Δηλαδή έχουμε δημιουργία αναρρόφησης. Αυτό βρίσκει εφαρμογή στα καρμπιρατέρ των αυτοκινήτων, δηλαδή στα συστήματα εισαγωγής αέρα (πεταλούδα), όταν πατάμε γκάζι.

ΔΙΑΧΥΤΗΣ CARNOT

Ο διαχύτης Carnot λειτουργεί ακριβώς αντίθετα από το Bernoulli. Δηλαδή από μια στενή διατομή κατευθύνουμε τον αέρα σε μια μεγαλύτερη. Δηλαδή Α1<Α2. Επομένως συνέπεια είναι η πίεση να είναι μεγαλύτερη στο άνοιγμα, δηλαδή P2>P1 και η ταχύτητα όμως μικρότερη V2<V1. Στη formula 1 χρησιμοποιούμε κωνικό διαχύτη στο πάτωμα του μονοθεσίου, έτσι ώστε ο αέρας να ανακτήσει την πίεση του και να περάσει το κάτω μέρος του μονοθεσιου όσο πιο ομαλά γίνεται.
Έχοντας δημιουργήσει μεγαλύτερη πίεση, έχουμε αυτομάτως μεγαλύτερη κάθετη δύναμη και μικρότερη ταχύτητα του αέρα, συνεπώς ομαλότερη διέλευση του αέρα από το πάτωμα του μονοθέσιου.
Παρακάτω βλέπουμε το διαχύτη ενός μονοθεσίου. Παρατηρούμε ότι καθώς ο αέρας (μπλε βέλη) περνάει από το πάτωμα καταλήγει στο διαχύτη, δηλαδή στο άνοιγμα. Έτσι έχουμε το φαινόμενο Carnot που εξηγήσαμε παραπάνω.

ΔΥΝΑΜΕΙΣ ΚΑΙ ΑΝΤΙΣΤΑΣΕΙΣ

Σε ένα ακίνητο όχημα, χωρίς επιτάχυνση ή επιβράδυνση, οι δυνάμεις οι οποίες που δημιουργούνται είναι οι εξής:

W: Αεροδυναμική αντίσταση
Α: Άνωση

Επειδή όμως στην πράξη το όχημα δεν παραμένει ακίνητο, αλλά δέχεται πλευρικές δυνάμεις και πλευρικές ταχύτητες δημιουργούνται και άλλες δυνάμεις και άλλες ροπές, οι οποίες εξηγούνται με πολύπλοκους μαθηματικούς τύπους.

Αντίθετα από την πορεία του οχήματος, έχουμε κάποιες αντιστάσεις. Αυτές είναι οι εξής:

W_αέρα – Αντίσταση αέρα
W_R – Αντίσταση κύλισης
W_s – Αντίσταση ανάβασης
W_B – Αντίσταση επιτάχυνσης

Η αντίσταση του αέρα είναι έννοια κατανοητή. Η αντίσταση κύλισης είναι η αντίσταση η οποία εξαρτάται από το φορτίο, το μέγεθος και την πίεση των ελαστικών. Η αντίσταση ανάβασης υπολογίζεται όταν το έδαφος έχει κλίση και τέλος η αντίσταση επιτάχυνσης έχει να κάνει με τη σχέση που χρησιμοποιούμε στο κιβώτιο ταχυτήτων.
Το άθροισμα όλων των παραπάνω αντιστάσεων μας δίνει το μέγεθος Z, δηλαδή την αναγκαία δύναμη έλξης των τροχών για να υπερνικήσουν τις αντιστάσεις.

Z = W_αέρα +W_R +W_s +W_B

P_{κινητήρα} = (Ζ•U)/(nG•nA)

P_{κινητήρα} – Αναγκαία ισχύς του κινητήρα για την υπερνίκηση της αντίστασης
U – Ταχύτητα οχήματος
n_G – Βαθμός απόδοσης κιβωτίου ταχυτήτων
n_A – Βαθμός απόδοσης διαφορικού

ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΟΥ ΜΡΟΣΤΙΝΟΥ ΤΜΗΜΑΤΟΣ

Στους δύο άξονες του παραπάνω διαγράμματος έχουμε τα εξής μεγέθη:

C_A: Συντελεστής άνωσης
α: Γωνία που σχηματίζεται μεταξύ μπροστινού τμήματος και εδάφους

Στο διάγραμμα αυτό κατέληξαν ύστερα από μετρήσεις ο J. L. Stollery και Burns. Το συμπέρασμα είναι ότι τα οχήματα πρέπει να διαμορφώνονται με το εμπρός μέρος κατεβασμένο.  Δηλαδή με μικρή γωνία α, όπως στην Formula 1. Αυτό γιατί όπως φαίνεται από το διάγραμμα ο συντελεστής άνωσης είναι μικρότερος και πιο κοντά στο μηδέν. Δηλαδή αυτό που επιδιώκουμε, τη μείωση του συντελεστή άνωσης.

ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΗΣ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΣ ΤΟΥ ΠΑΤΩΜΑΤΟΣ

Κάτω στο πάτωμα του οχήματος, έχουμε διάφορα εξαρτήματα τα οποία προεξέχουν και ανάλογα τη μορφή τους και τον αριθμό τους είναι εμπόδια – αντίσταση στη ροή του αέρα. Αυτά τα εξαρτήματα μπορεί να είναι διάφορα όπως το διαφορικό, κάποια εξαρτήματα της ανάρτησης κτλ.
Μεταξύ του εδάφους και του πατώματος ο αέρας που περνάει από κάτω συμπεριφέρεται σαν να κολλάει στην επιφάνεια του πατώματος και έχουμε δημιουργία πολύπλοκων φαινομένων. Ο αέρας επίσης κολλάει και στο έδαφος. Αυτό δημιουργεί έντονα φαινόμενα δημιουργία στροβίλων, οι οποίοι κινούνται μαζί με το όχημα.
Έγιναν κάποια πειράματα στα οποία καλύψανε διάφορα μέρη – εξαρτήματα που εμποδίζουν τη ροή στο πάτωμα του οχήματος. Το συμπέρασμα ήταν ότι με τη κάλυψη του πίσω μέρους η αντίσταση μειώνεται πάρα πολύ, ενώ με την κάλυψη στη μέση αυξάνεται κατά πολύ.
Πάντως το πιο ιδανικό είναι να είναι καλυμμένο όλο το πάτωμα για να μπορεί ο αέρας να το περνάει όσο πιο ομαλά γίνεται. Παρατηρούμε και την παρακάτω εικόνα ότι το πάτωμα ενός μονοθεσίου είναι όλο καλυμμένο.

Ο συντελεστής αντίστασης Cx μειώνεται όσο το πάτωμα πλησιάζει στο έδαφος, αντίθετα όμως η άνωση αυξάνεται αλλά ο αέρας κινείτε με μικρότερη ταχύτητα κατά μήκος του εδάφους άρα και πιο ομαλά. Έτσι μειώνεται η πίεση άρα και η αντίσταση. Επειδή όμως ο αέρας πρέπει να διανύσει μεγαλύτερη απόσταση μειώνεται η πίεση με αποτέλεσμα την αύξηση της άνωσης.

ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΤΩΝ ΤΡΟΧΩΝ

Σε έναν τροχό ο οποίος περιστρέφεται ελεύθερα σε ροή, δηλαδή δεν έχει επαφή με πάτωμα έχουμε δημιουργία μιας αντίστασης και μιας άνωσης. Σε αυτή την περίπτωση ο αέρας περνάει από πάνω και από κάτω του τροχού. Εάν τώρα ο τροχός ακουμπάει στο έδαφος ,ο αέρας δεν μπορεί να περάσει από κάτω και έτσι ο αέρας περνάει από πάνω και παραμερίζεται προς τα πλάγια και έτσι δημιουργούνται έντονοι στροβιλισμοί στα πλάγια. Για αυτό και στη Formula 1 χρησιμοποιούνται τα πλαϊνά καπάκια στους τροχούς. Η οπή παραμένει για τη ψύξη των φρένων.

ΑΕΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΣΤΗ FORMULA 1

Στην Formula 1 αυτό που επιδιώκουμε είναι αρνητική άνωση. Δηλαδή χρειαζόμαστε μεγάλη κάθετη δύναμη. Για να έχουμε μεγάλη κάθετη δύναμη αυτό που πρέπει να κάνουν οι μηχανικοί στην Formula 1 είναι να δώσουν κλίσεις στις αεροτομές. Όσο πιο πολύ κλίση δίνεις σε μια αεροτομή τόσο περισσότερη κάθετη δύναμη θα έχεις. Το πλεονέκτημα είναι ένα πολύ σταθερό μονοθέσιο και ιδανικό σε πίστες με αρκετές στροφές. Το μειονέκτημα είναι η απουσία μεγάλης τελικής ταχύτητας και αυτό γιατί ο αέρας βρίσκει μεγάλη αντίσταση στην αεροτομή.
Εάν τώρα δώσουμε μικρή κλίση στις αεροτομές μειώνεται η κάθετη δύναμη, αλλά αυξάνεται η τελική ταχύτητα. Αυτό το στήσιμο είναι ιδανικό για πίστες με μεγάλες ευθείες και απαιτήσεις υψηλών ταχυτήτων. Σε αυτή την περίπτωση ο αέρας βρίσκει πολύ μικρή αντίσταση στην αεροτομή.
Αυτή είναι η πρόκληση που πρέπει να αντιμετωπίσουν οι μηχανικοί στην Formula 1. Να δημιουργήσουν ένα μονοθέσιο και σταθερό και γρήγορο.

ΕΙΚΟΝΑ ΠΡΟΦΙΛ ΜΠΡΟΣΤΙΝΟΥ ΦΤΕΡΟΥ

ΕΜΠΡΟΣΘΙΟ ΦΤΕΡΟ

Το μπροστινό φτερό ενός μονοθεσίου, παράγει περίπου το 25% της κάθετης δύναμης. Η εμπρόσθια πτέρυγα του μονοθέσιου, οδηγεί τον αέρα όσο πιο ομαλά γίνεται μακριά από τους εμπρόσθιους τροχούς. Ο αέρας ο οποίος περνάει από κάτω από την πτέρυγα, έχει μεγαλύτερη ταχύτητα από ότι ο αέρας που περνάει πάνω από την πτέρυγα. Η διαφορά αυτών των πιέσεων δημιουργούν την κάθετη δύναμη.
Ας δούμε ένα βίντεο για να καταλάβουμε.

ΟΠΙΣΘΙΟ ΦΤΕΡΟ

Το ίδιο ακριβώς συμβαίνει και στο πίσω φτερό, αλλά επειδή στο πίσω μέρος του μονοθέσιου έχουμε τους περισσότερους στροβιλισμούς, αυτό που επιδιώκουμε είναι ομαλότερη ροή του αέρα.

Εάν παρατηρήσουμε τις πτέρυγες ενός μονοθέσιου, θα παρατηρήσουμε διάφορες πλαϊνές διαμορφώσεις (end plates) ή στο πίσω μέρος, πριν από τους πίσω τροχούς μια διαμόρφωση σαν «σκαλοπάτι». Αυτές οι διαμορφώσεις έχουν σαν σκοπό την ομαλή ροή του αέρα γύρω από το μονοθέσιο.
Το τελικό αποτέλεσμα το οποίο επιθυμούμε από την αεροδυναμική ενός μονοθέσιου είναι το μονοθέσιο να «σκίζει» τον αέρα όσο πιο γρήγορα γίνεται και να δημιουργεί μεγάλη κάθετη δύναμη καθώς ο αέρας διέρχεται από τα διάφορα μέρη του μονοθέσιου.