ایرودینامیک فرمول یک ؛ اصول پایه ای – قسمت اول

فرمول یک ایران – ایرودینامیک جزو جدا نشدنی موتور اسپورت، به خصوص فرمول یک، است. آیرودینامیک (Aerodynamic) که از دو کلمه aero که همان Air به معنی هوا و dynamic که مربوط به حرکت می‌باشد تشکیل شده است، علم مطالعه حرکت هواست.

بدون وجود علمی با نام ایرودینامیک، موتوراسپورت هیچ گاه به این مرحله از پیشرفت نمی‌رسید. لذا با توجه به وضعیت پیش آمده در جهان و اینکه برگزاری مسابقات فصل 2020 در هاله‌ای از ابهام قرار دارد، فرصت را غنیمت شمردیم تا در این سری مقالات، شما مخاطبین عزیز وبسایت فرمول یک ایران را با ایرودینامیک فرمول یک و اکثر جنبه‌های آن آشنا کنیم.

ایرودینامیک در فرمول یک

از همان ابتدای شروع مسابقات فرمول یک در سال 1950، با این که در آن زمان از علم ایرودینامیک به اندازه امروز در فرمول یک استفاده نمی‌شد، اما این خودروها همواره بالاترین عملکرد آیرودینامیکی را در میان تمام خودروهای موجود در جهان داشتند. حتی در همان زمان، بدنه خودروهای فرمول یک آنقدر باریک بود که بسیاری از مردم آن‌ها را خودروهای شبه سیگار می‌نامیدند. هدف طراحان و تلاش‌های آنان در آن زمان، بیشتر معطوف به یک موضوع بود:

تولید کمترین میزان درگ یا نیروی مقاومت هوای وارد بر خودرو. این رویه با معرفی بال برعکس و نصب آن بر روی خودروها، به منظور ایجاد نیروی لیفت معکوس (برآی منفی) یا همان داون فورس (نیروی رو به پایین)، تغییر کرد. نیروی لیفت یا برآ همان نیروییست که موجب پرواز هواپیما می‌شود و داون فورس یا نیروی رو به پایین نیز همان چیزیست که موجب چسبیدن خودرو به سطح زمین می‌شود. نحوه و چگونگی ایجاد داون فورس را توضیح خواهیم داد.

سال 1968، بال معکوس روی خودروی لوتوس 49 معرفی و باعث تغییر فرمول یک شد. این تغییر تا سالیان سال نه تنها روی فرمول یک، بلکه روی کل موتور اسپورت تاثیر گذاشت؛ مانند بسیاری از نوآوری‌ها در فرمول یک همانند سیستم تعلیق فعال. این کولین چپمن (روحش شاد) و تیم او بودند که بال‌هایی را به صورت برعکس به سیستم تعلیق جلو و عقب بستند تا از این طریق مسیر مستقیمی برای عبور جریان هوا ایجاد کنند.

یوخن رینت در لوتوس 49 – 1969

علاوه بر آن، این کار باعث می‌شد تا بال‌ها در موقعیتی تقریبا افقی قرار بگیرند و کارایی و عملکرد آن‌ها افزایش یابد. مشکل این طرح، پایه‌های بال‌ها بود که حتی با وجود طراحی مناسب می‌شکستند. لذا ایده ای که به ذهن طراحان رسید، این بود که بال‌ها را در موقعیتی پایین تر، نزدیک به سطح خودرو نصب کنند. طبق معمول طولی نکشید که تمام خودروها به این بال‌های معکوس مجهز شدند و هیچ دلیلی هم برای ممنوعیت آن‌ها وجود نداشت؛ چون علاوه بر افزایش عملکرد خودروها، تقریبا هر راننده‌ای دوست داشت تا یک جفت از این بال‌ها روی خودروی خود داشته باشد. خب حال که با تاریخچه شروع ایرودینامیک در فرمول یک آشنا شدیم، در ابتدا می‌خواهیم یک سری از اصول پایه ای ایرودینامیک و مکانیک سیالات را برای شما شرح دهیم:

سیال یا شاره (Fluid)

سیال در لغت به معنی در جریان و بسیار روان است اما در فیزیک، سیال به ماده ای گفته می‌شود که بر اثر وارد شدن هرگونه نیروی برشی (نیرویی که با هدف ایجاد برش در جسم وارد می شود)، هر چند کوچک تغییر شکل دهد. سیال به دو دسته مایع و گاز (و پلاسما) تقسیم می‌شود. با وجود این که حرکت آن‌ها با هم متفاوت است، تشابه‌هایی اساسی نیز دارند. یک ویژگی بارز سیال این است که هر فضایی که به آن بدهید، آن را اشغال می‌کند. برای مثال، شما اگر یک حبه قند را در ظرف بریزید، به همان شکل باقی می‌ماند ولی سیال رفتارش این گونه نیست؛ مایعات شکل ظرفی که در آن ریخته شده اند را به خود می‌گیرند و گاز، تمام حجم داده شده به آن را اشغال می‌کند و پخش می‌شود. ما در اینجا راجع به هوا که یک سیال گازی است صحبت می‌کنیم.

حال به توضیح چند مفهوم مهم می‌پردازیم:

فشار هوا (Air Pressure)

از آن جایی که این مورد مفهوم مهمی است، اجازه دهید که این مورد را از پایه شروع کنیم:

فشار گازها

مولکول‌های گاز درون یک حجم دلخواه (به عنوان مثال یک بادکنک)، آزادانه در حال گردش هستند و غالبا در طی این حرکت‌های مولکولی، با یکدیگر و با جداره محفظه یا حجمی که داخل آن قرار دارند، برخورد نیز می‌کنند (در یک بادکنک کوچک، در هر ثانیه هزاران میلیارد برخورد اتفاق می‌افتد).

تاثیر چنین برخوردی در ابعاد بسیار کوچک، مثلا برخورد یک مولکول، دیده نمی‌شود اما با در نظر گرفتن تعداد بسیار زیادی مولکول، برخورد این مولکول‌ها فشار قابل توجهی را بر روی جداره محفظه مورد نظر ایجاد می‌کند. پس هر چه تعداد برخوردهای مولکول‌های گاز درون یک محفظه بیشتر باشد، فشار نیز افزایش می‌یابد. پس فشار هوای درون بادکنک بالاتر از فشار هوای خارج از آن می‌باشد.

فشار جو یا اتمسفریک

در همین مثال بادکنک، علاوه بر گاز درون بادکنک (که از داخل فشار وارد می کنند)، گاز محیط اطراف یعنی همان هوا نیز وجود دارد که بر سطح خارجی بادکنک نیرو وارد می‌کند. میزان بمباران شدن سطح بادکنک توسط مولکول‌های گاز نیز به میزان فشرده شدن گازها در داخل بادکنک یا محفظه بسته بوابسته است که با کمیت چگالی گاز تعریف می‌شود:

از آن جایی که گازها قابل فشرده شدن هستند، لذا چگالی آن‌ها به نیروی فشرده سازی‌شان بستگی دارد. در جو نیرویی که هوا را در سطح فشرده می‌کند، وزن ناشی از ستون جوی بالاتر از آن می‌باشد. نکته قابل ذکر دیگر این است که با افزایش ارتفاع از سطح زمین، تعداد مولکول‌های هوا کم می‌شود و بالطبع فشار هوا نیز کاهش می‌یابد.

فشار داخل و خارج بادکنک

پس در نتیجه می‌توان گفت فشار هوا نیرویی است که توسط مولکول‌های هوا بر هر چیزی وارد می‌شود. پس به طور کلی، ما در اینجا برای ساده کردن، فشار هوا را با تعداد مولکول‌های آن ارتباط می‌دهیم. شاید تابه حال واژه فشار هوا در سطح دریا را شنیده باشید. این همان چیزی‌ست که ما به آن عادت کرده ایم؛ چراکه ما همواره در معرض فشار هوا قرار داریم. اما سوالی که ممکن است پیش بیاید، این است که چرا بدن ما در مقابل این حجم از هوا که تک تک مولکول‌های آن وزن دارند و بر بدن ما نیرو وارد می‌کنند له نمی شود؟

اگر شما وسیله‌ای را بلند کنید و آن را روی سر خود نگه دارید، قطعا سنگینی آن را احساس خواهید کرد. هوا نیز این گونه است و بر ما نیرو وارد می‌کند اما فرق آن در اینجاست که هوا از همه طرف بر ما نیرو وارد می‌کند. یعنی علاوه بر این که از بالا به ما نیرو وارد می‌کند، از پایین نیز وارد کرده و نیروی قبلی را خنثی می‌کند و همین عامل موجب می‌شود که بدن ما متلاشی نشود.

هوا تمایل دارد تا از ناحیه پر فشار وارد ناحیه کم فشار شود

نکته مهم دیگری که باید در نظر بگیرید و کاربرد فوق العاده فراوانی در مکانیک سیالات دارد، این است که هوا همواره تمایل دارد تا از ناحیه پر فشار وارد ناحیه کم فشار شود. مثلا همان بادکنک را در نظر بگیرید. وقتی می‌ترکد، هوا با سرعت زیادی از داخل بادکنک، که ناحیه پر فشار است، به ناحیه بیرون که کم فشار است متمایل می‌شود و صدای ناشی از ترکیدن آن نیز به دلیل برخورد مولکول‌های هوای پر فشار و کم فشار می باشد. پس هوا تمایل دارد تا از ناحیه پر فشار وارد ناحیه کم فشار شود.

ممکن است در بسیاری از فیلم‌های سینمایی دیده باشید که با ایجاد یک حفره کوچک در بدنه هواپیما، همه چیز در هواپیما به سمت بیرون یورش می‌برد. دلیل آن را می‌توانید از موارد گفته شده در بالا کاملا متوجه بشوید. بر خلاف بدن ما که انعطاف پذیر است و می‌تواند در هنگام عدم تعادل میان فشار داخلی و خارجی تعادل ایجاد کند، هواپیماها برای پرواز در ارتفاع بالا که فشار هوا بسیار پایین است، برای جبران این فشار کم نیاز به کابین‌های تحت فشار بالا دارند. خب حال فرض کنید حفره ای در بدنه هواپیما ایجاد می شود. گفتیم هوا تمایل دارد از ناحیه پرفشار وارد ناحیه کم فشار شود. فشار داخل زیاد و فشار بیرون بسیار کم است. در نهایت، هوا آنقدر با سرعت به بیرون یورش می‌برد که همه چیز را با خود به بیرون می‌کشد.

رابطه فشار هوا با دما

در یک محیط بسته با حجم ثابت، رابطه مستقیمی میان دما و فشار وجود دارد؛ یعنی اگر فشار زیاد شود، دما زیاد شده و با کم شدن فشار، دما نیز کم می‌شود. به این دلیل که با افزایش دما، جنب و جوش مولکولی بیشتر می‌شود و با ثابت فرض کردن تعداد مولکول‌ها، از فضای بیشتری در محیط استفاده می‌کنند و این باعث افزایش فشار می‌شود. با دو مثال این مورد را برای شما توضیح می‌دهیم:

یک قوطی اسپری با حجم ثابت را در نظر بگیرید. هنگامی که محتویات آن خارج می‌شود، مقدار محتویات درون قوطی کاهش می یابد. از آن جایی که در قوطی با حجم ثابت، جرم ماده کاهش یافته است، فشار کاهش می‌یابد و این کاهش فشار منجر به کاهش دما نیز می‌شود و به همین دلیل است که قوطی در هنگام اسپری کمی خنک می‌شود. محتوی خارج شده از درون اسپری نیز کمی سرد است اما دلیل آن چیز دیگری‌ست. در محیط خارج از قوطی ما حجم ثابتی نداریم؛ بنابراین، ماده خارج شده از محیط با فشار زیاد به محیط با فشار کم، به راحتی می تواند منبسط شود. با کاهش فشار، دما نیز کاهش یافته و ماده خنک می‌شود.

مثال‌های بسیار زیادی در این رابطه می‌توان بیان کرد که به دلیل افزایش حجم مقاله، از بیان آن‌ها خودداری می‌کنیم.

محتویات خارج شده از قوطی اسپری

قانون (معادله) برنولی (Bernoulli Principle)

قانون برنولی رابطه میان سرعت سیال و فشار آن را بیان می‌کند. طبق این قانون، در صورت افزایش سرعت یک سیال، فشاری که بر سطح وارد می‌کند کاهش می‌یابد. پس هرچه سرعت هوا بیشتر شود، فشار آن کم می‌شود.

اثر ونتوری (Venturi Effect) و ایرودینامیک فرمول یک

اثر ونتوری در حقیقت برای اثبات رابطه معکوس میان سرعت و فشار یک سیال که در معادله برنولی بیان شد به کار می‌رود. دانشمندی به نام جیووانی باتیستا ونتوری با کمک وسیله‌ای به نام لوله ونتوری این معادله را اثبات کرد. مطابق اثر ونتوری، با کاهش سطح مقطع عبوری سیال، سرعت آن افزایش می‌یابد. پس چون در اینجا راجع به هوا صحبت می‌کنیم، در صورتی که هوا در لوله‌ای در حال گذر باشد، با کاهش مقطع لوله (تنگ تر شدن آن)، هوا با سرعت بیشتری شارش می‌کند.

خیلی ساده، علت این امر را می‌توان این گونه بیان کرد که چون لوله تنگ تر شده اما تعداد مولکول‌های سیال ثابت مانده است، برای اینکه همان تعداد مولکول از قسمت تنگ‌تر لوله رد شود، باید سرعت بیشتری داشته باشد تا در قانون پایستگی انرژی خللی وارد نشود. قانون پایستگی بیان می‌کند که انرژی یک سیستم ثابت است و انرژی یک سیستم نمی‌تواند ایجاد یا نابود شود. پس مطابق این قانون، می‌توان افزایش سرعت مولکول‌ها را توجیه کرد.

اثر ونتوری – افزایش سرعت سیال در عبور از قسمت تنگ لوله

از مواردی که به عنوان مثال می‌توان با اثر ونتوری توجیه کرد، شکستن شیشه‌ها در هنگام گردبادهای سهمگین می‌باشد. در هنگام ایجاد گردباد، سرعت هوا آنقدر زیاد است که فشار به مقدار قابل توجهی افت می‌کند و فشار هوای داخل یک ساختمان که بیش تر است، برای جبران افت فشار محیط، به بیرون یورش می‌برد. مثال ساده‌تری برایتان میزنم. بسیاری از ما برای افزایش سرعت آب خروجی از شلنگ، دست خود را روی قسمت خروجی شلنگ می‌گذاریم. با این کار ناحیه خروج آب درست همانند لوله ونتوری کوچک شده و سرعت مولکول‌های خروجی آب بیشتر می‌شود و با این کار می‌توانیم آب را به فضای دورتری منتقل کنیم. از دیگر کاربردهای اثر ونتوری، می‌توان نحوه عملکرد کاربراتور در موتور خودروها را نیز نام برد.

کاربرد اثر ونتوری در پدیده اثر زمین به کار برده شده در خودرو های فرمول یک

یکی از مهم‌ترین کاربردهای اثر ونتوری در فرمول یک، پدیده اثر زمین (Ground Effect) است که قرار است بار دیگر پس از سال‌ها غیبت، در خودروهای فصل 2022 ظاهر شود که این پدیده را در قسمت‌های بعدی این مقاله به صورت کامل توضیح خواهیم داد.