Прижимная сила

Прижимная сила — это направленная вниз подъемная сила, создаваемая аэродинамическими особенностями транспортного средства. Если транспортное средство является автомобилем, цель прижимной силы состоит в том, чтобы позволить автомобилю двигаться быстрее за счет увеличения вертикальной силы на шинах, создавая тем самым большее сцепление с дорогой . Если транспортное средство представляет собой самолет с неподвижным крылом, цель прижимной силы на горизонтальном стабилизаторе состоит в том, чтобы поддерживать продольную устойчивость и позволять пилоту управлять самолетом по тангажу.

Основополагающие принципы

Тот же принцип , который позволяет самолету отрываться от земли, создавая подъемную силу на крыльях, используется и в обратном направлении, чтобы приложить силу, которая прижимает гоночный автомобиль к поверхности трассы. Этот эффект называется «аэродинамическим сцеплением» и отличается от «механического сцепления», которое зависит от массы автомобиля, шин и подвески. Создание прижимной силы пассивными устройствами может быть достигнуто только за счет увеличения аэродинамического сопротивления (или трения ), и оптимальная настройка почти всегда является компромиссом между ними. Аэродинамическая установка автомобиля может значительно различаться на разных гоночных трассах, в зависимости от длины прямых и типов поворотов. Поскольку это функция потока воздуха над и под автомобилем, прижимная сила увеличивается пропорционально квадрату скорости автомобиля и требует определенной минимальной скорости, чтобы произвести значительный эффект. Некоторые автомобили имеют довольно нестабильную аэродинамику, так что незначительное изменение угла атаки или высоты автомобиля может вызвать большие изменения прижимной силы. В самых худших случаях это может привести к тому, что автомобиль будет испытывать подъемную силу, а не прижимную силу; например, проезжая неровности на трассе или скольжение по гребню: это могло иметь некоторые катастрофические последствия, как, например, Марка Уэббера и Питера Дамбрека в Mercedes-Benz CLR гонке « 24 часа Ле-Мана» 1999 года , который эффектно перевернулся после того, как преследовал автомобиль конкурента на горке.

Два основных компонента гоночного автомобиля могут использоваться для создания прижимной силы, когда автомобиль движется на гоночной скорости:

форму тела и
использование аэродинамических профилей .

В большинстве гоночных формул имеется запрет на использование аэродинамических устройств, которые можно регулировать во время гонки, за исключением пит-стопов .

Пол из углепластика в Panoz DP01 ChampCar имеет сложную аэродинамическую конструкцию.

Изгибы нижней части Panoz DP01 Champ Car .

Прижимная сила, оказываемая крылом, обычно выражается как функция его коэффициента подъемной силы :

F=-C_{L}{\frac {1}{2}}\rho v^{2}A

где:

F — прижимная сила (единица СИ: ньютоны ).
C _L - коэффициент подъемной силы
ρ — плотность воздуха (единица СИ: кг/м). ³)
v — скорость (единица СИ: м/с)
A — площадь крыла (единица СИ: квадратные метры), которая зависит от его размаха крыла и хорды , если использовать основу площади верхней части крыла для C _L , или размаха крыла и толщины крыла, если использовать основу площади лобовой части.

В определенных диапазонах условий эксплуатации и когда крыло не свалилось, коэффициент подъемной силы имеет постоянное значение: тогда прижимная сила пропорциональна квадрату воздушной скорости.

В аэродинамике обычно используют проекцию крыла сверху в качестве опорной поверхности для определения коэффициента подъемной силы.

Тело

Закругленная и конусообразная форма верха автомобиля предназначена для рассечения воздуха и минимизации сопротивления ветра. ^{[ нужна ссылка ]} Можно добавить детализированные детали кузова на верхнюю часть автомобиля, чтобы обеспечить плавный поток воздуха для достижения элементов, создающих прижимную силу (например, крыльев или спойлеров, а также туннелей под кузовом). ^{[ нужна ссылка ]}

Общая форма автомобиля напоминает крыло самолета. Благодаря такой форме почти все дорожные автомобили создают аэродинамическую подъемную силу. ^[1] Существует множество техник, которые используются для уравновешивания этого подъема. Глядя на профиль большинства дорожных автомобилей, видно, что передний бампер имеет самый низкий дорожный просвет, за ним следует участок между передними и задними шинами, а за ним следует задний бампер, обычно с самым высоким дорожным просветом. ^{[ нужна ссылка ]} При такой компоновке воздух, проходящий под передним бампером, будет ограничен до меньшей площади поперечного сечения и, таким образом, будет достигнуто более низкое давление. ^{[ нужна ссылка ]} Дополнительная прижимная сила исходит от наклона (или угла) кузова автомобиля, который направляет воздух снизу вверх и создает нисходящую силу, увеличивая давление на верхнюю часть автомобиля, поскольку направление воздушного потока приближается к перпендикуляру к поверхности. ^{[ нужна ссылка ]} Объем не влияет на давление воздуха, поскольку это не замкнутый объем, несмотря на распространенное заблуждение. ^{[ нужна ссылка ]} Гоночные автомобили усиливают этот эффект, добавляя задний диффузор , который ускоряет воздух под автомобилем перед диффузором и повышает давление воздуха за ним, уменьшая след автомобиля. ^{[ нужна ссылка ]} Другие аэродинамические компоненты, которые можно найти на нижней стороне для улучшения прижимной силы и/или уменьшения сопротивления, включают сплиттеры и генераторы вихрей. ^{[ нужна ссылка ]}

Некоторые автомобили, такие как DeltaWing , не имеют крыльев и создают всю прижимную силу через корпус. ^{[ нужна ссылка ]}

Профили

Величина прижимной силы, создаваемой крыльями или спойлерами автомобиля, зависит в первую очередь от трех факторов:

Форма, включая площадь поверхности, соотношение сторон и поперечное сечение устройства,
Ориентация устройства (или угол атаки ) и
Скорость автомобиля.

Большая площадь поверхности создает большую прижимную силу и большее сопротивление . Соотношение сторон — это ширина профиля, разделенная на его хорду. Если крыло непрямоугольное, соотношение сторон пишется AR=b. ²/s, где AR = удлинение, b = размах и s = площадь крыла. Кроме того, больший угол атаки (или наклона) крыла или спойлера создает большую прижимную силу, которая оказывает большее давление на задние колеса и создает большее сопротивление.

Передний

Функция аэродинамических профилей в передней части автомобиля двоякая. Они создают прижимную силу, которая улучшает сцепление передних шин, а также оптимизирует (или сводит к минимуму помехи) поток воздуха к остальной части автомобиля. Передние крылья автомобиля с открытыми колесами постоянно модифицируются по мере сбора данных от гонки к гонке и настраиваются с учетом каждой характеристики конкретной трассы (см. верхние фотографии). В большинстве серий крылья даже предназначены для регулировки во время самой гонки, когда машина обслуживается.

Задний

На поток воздуха в задней части автомобиля влияют передние крылья, передние колеса, зеркала, шлем водителя, боковые поддоны и выхлопная система. Это приводит к тому, что заднее антикрыло менее аэродинамически эффективно, чем переднее. соотношение сторон и часто использует два или более элементов для увеличения создаваемой прижимной силы (см. фото слева). Как и передние крылья, каждый из этих элементов часто можно отрегулировать при обслуживании автомобиля, перед или даже во время гонки, и они являются объектом постоянного внимания и модификаций.

Крылья в необычных местах

Частично из-за правил, направленных на снижение прижимной силы передних и задних крыльев автомобилей Формулы-1, несколько команд попытались найти другие места для размещения крыльев. Маленькие крылья, установленные на задней части боковых подвесок автомобилей, начали появляться в середине 1994 года и были практически стандартными для всех автомобилей Формулы-1 в той или иной форме, пока все такие устройства не были объявлены вне закона в 2009 году. Другие крылья возникли в различных других случаях. местами в автомобиле, но эти модификации обычно используются только на трассах, где больше всего нужна прижимная сила, особенно на извилистых гоночных трассах Венгрии и Монако.

McLaren Mercedes MP4/10 1995 года был одним из первых автомобилей с «средним крылом», использовавшим лазейку в правилах для установки крыла поверх крышки двигателя. С тех пор эта схема в то или иное время использовалась каждой командой на стартовой решетке, а на Гран-при Монако 2007 года ее использовали все команды, кроме двух. Эти средние крылья не следует путать ни с камерами, установленными на вращающемся обруче, которые входят в стандартную комплектацию каждого автомобиля во всех гонках, ни с регуляторами потока в форме рупора, впервые использовавшимися McLaren, а затем BMW Sauber, основная функция которых заключается в сглаживании и перенаправить поток воздуха, чтобы сделать заднее крыло более эффективным, а не создавать прижимную силу самостоятельно.

Разновидностью этой темы были «X-крылья», высокие крылья, установленные на передней части боковых подвесок, в которых использовалась такая же бойница, как и в средних крыльях. Впервые они были использованы Тирреллом в 1997 году и в последний раз использовались на Гран-при Сан-Марино 1998 года, к тому времени такую схему использовали Ferrari, Sauber, Jordan и другие. Однако было решено запретить их, учитывая препятствия, которые они создают при заправке, и риск, который они представляют для водителя в случае опрокидывания автомобиля. (Ходят слухи, что Берни Экклстоун посчитал их на телевидении слишком уродливыми и поэтому запретил). ^{[ нужна ссылка ]}

Время от времени пробовались и другие дополнительные крылья, но в настоящее время команды чаще стремятся улучшить характеристики передних и задних крыльев за счет использования различных регуляторов потока, таких как вышеупомянутые «бычьи рога». используется McLaren.

См. также

Дальнейшее чтение

Саймон МакБит, Прижимная сила гоночного автомобиля: Практическое руководство , SAE International, 2000 г., ISBN 1-85960-662-8
Саймон Макбит, Аэродинамика гоночных автомобилей , Спаркфорд, Хейнс, 2006 г.
Энрико Бенцинг , Али/Уингз. Проектирование и применение на гоночных автомобилях. Их дизайн и применение на гоночных автомобилях , Милан, Нада, 2012 г. Двуязычный (итальянско-английский)

Ссылки

^ Кац, Джозеф (1995). Аэродинамика гоночного автомобиля: проектирование для скорости . Роберт Бентли, Инкорпорейтед. п. 50,52. ISBN 9780837601427 . Получено с http://hpwizard.com/aerodynamics.html от 28 февраля 2020 г.

Внешние ссылки

Аэродинамика в автомобильных гонках. Архивировано 6 декабря 2009 г. в Wayback Machine.

[1] Кац, Джозеф (1995). Аэродинамика гоночного автомобиля: проектирование для скорости . Роберт Бентли, Инкорпорейтед. п. 50,52. ISBN 9780837601427 . Получено с http://hpwizard.com/aerodynamics.html от 28 февраля 2020 г.

[1]