قوة الضغط السفلية
القوة الضاغطة هي قوة رفع تتجه للأسفل بفعل الخصائص الديناميكية الهوائية للمركبة. في حالة السيارات، تهدف القوة الضاغطة إلى زيادة سرعة السيارة من خلال زيادة القوة العمودية المؤثرة على الإطارات، مما يُحسّن من تماسكها . أما في حالة الطائرات ذات الأجنحة الثابتة، فإنّ الهدف من القوة الضاغطة على المثبت الأفقي هو الحفاظ على استقرار الطائرة طولياً، مما يسمح للطيار بالتحكم في ميلها.
المبادئ الأساسية
يُستخدم المبدأ نفسه الذي يسمح للطائرة بالإقلاع عن الأرض عن طريق توليد قوة رفع من أجنحتها، بشكل عكسي لتطبيق قوة تضغط على سيارة السباق على سطح المضمار. يُشار إلى هذا التأثير باسم "التماسك الديناميكي الهوائي"، وهو يختلف عن "التماسك الميكانيكي"، الذي يعتمد على كتلة السيارة وإطاراتها ونظام التعليق. لا يمكن توليد قوة ضاغطة باستخدام وسائل غير فعالة إلا على حساب زيادة مقاومة الهواء (أو الاحتكاك )، وغالبًا ما يكون الإعداد الأمثل حلاً وسطًا بين هذين العاملين.
تختلف الإعدادات الديناميكية الهوائية للسيارة اختلافًا كبيرًا بين حلبات السباق، وذلك تبعًا لطول المسارات المستقيمة وأنواع المنعطفات. ولأنها تعتمد على تدفق الهواء فوق السيارة وتحتها، فإن قوة الضغط السفلي تزداد مع مربع سرعة السيارة، وتتطلب حدًا أدنى من السرعة لإحداث تأثير ملحوظ. وقد عانت بعض السيارات من ديناميكيات هوائية غير مستقرة، بحيث يمكن لتغيير طفيف في زاوية الهجوم أو ارتفاع السيارة أن يُحدث تغييرات كبيرة في قوة الضغط السفلي. وفي أسوأ الحالات، قد يتسبب ذلك في تعرض السيارة لقوة رفع بدلًا من قوة الضغط السفلي؛ على سبيل المثال، عند المرور فوق مطب على الحلبة أو الانزلاق الهوائي فوق قمة جبلية: وقد تكون لهذه عواقب وخيمة، كما حدث مع سيارة مرسيدس-بنز CLR التي قادها مارك ويبر وبيتر دومبريك في سباق لومان 24 ساعة عام 1999 ، والتي انقلبت بشكل مذهل بعد أن كانت تتبع سيارة منافسة عن كثب فوق مطب.
يمكن استخدام عنصرين أساسيين في سيارة السباق لتوليد قوة ضغط سفلية عندما تسير السيارة بسرعة السباق:
- شكل الجسم، و
- استخدام الأجنحة الهوائية .
معظم قوانين سباقات السيارات تحظر استخدام الأجهزة الديناميكية الهوائية التي يمكن تعديلها أثناء السباق، باستثناء فترات التوقف في منطقة الصيانة .
عادةً ما يتم التعبير عن قوة الضغط السفلية التي يمارسها الجناح كدالة لمعامل الرفع الخاص به :
أين:
- F هي قوة الضغط السفلي (وحدة النظام الدولي للوحدات: نيوتن )
- C L هو معامل الرفع
- ρ هي كثافة الهواء (وحدة النظام الدولي للوحدات: كجم/ م³ )
- v هي السرعة (وحدة النظام الدولي للوحدات: م/ث)
- A هي مساحة الجناح (وحدة النظام الدولي للوحدات: متر مربع)، والتي تعتمد على طول جناحيه ووتره إذا تم استخدام مساحة الجناح العلوي كأساس لحساب معامل الرفع (CL ) ، أو على طول الجناح وسماكة الجناح إذا تم استخدام مساحة الجناح الأمامي كأساس .
في نطاقات معينة من ظروف التشغيل وعندما لا يكون الجناح في حالة توقف، يكون لمعامل الرفع قيمة ثابتة: وبالتالي فإن قوة الضغط السفلي تتناسب مع مربع سرعة الهواء.
في الديناميكا الهوائية، من المعتاد استخدام المساحة المسقطة من الأعلى للجناح كسطح مرجعي لتحديد معامل الرفع.
جسم
صُمم الشكل الدائري والمخروطي للجزء العلوي من السيارة لاختراق الهواء وتقليل مقاومة الرياح. ويمكن إضافة أجزاء هيكلية دقيقة أعلى السيارة للسماح بتدفق سلس للهواء إلى العناصر المولدة لقوة الضغط السفلي (مثل الأجنحة أو المشتتات الهوائية، والأنفاق السفلية).
يشبه الشكل العام للسيارة جناح الطائرة. وتُنتج جميع سيارات الطرق تقريبًا قوة رفع ديناميكية هوائية نتيجةً لهذا الشكل. [ 1 ] تُستخدم العديد من التقنيات لموازنة هذه القوة. عند النظر إلى جانب معظم سيارات الطرق، نجد أن المصد الأمامي يتميز بأقل خلوص أرضي، يليه الجزء الواقع بين الإطارات الأمامية والخلفية، ثم المصد الخلفي الذي يتميز عادةً بأعلى خلوص أرضي. باستخدام هذا التصميم، يتقلص تدفق الهواء أسفل المصد الأمامي إلى مساحة مقطع عرضي أصغر، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط. وتأتي قوة ضغط إضافية من ميل هيكل السيارة، الذي يوجه الهواء المتدفق أسفلها إلى الأعلى، مُولِّدًا قوة ضغط لأسفل، مما يزيد الضغط على سطح السيارة لأن اتجاه تدفق الهواء يقترب من التعامد على السطح.
لا يؤثر الحجم على ضغط الهواء لأنه ليس حيزًا مغلقًا، على عكس الاعتقاد الشائع. تُعزز سيارات السباق هذا التأثير بإضافة مُشتت هواء خلفي لتسريع الهواء أسفل السيارة أمام المُشتت، ورفع ضغط الهواء خلفه، مما يُقلل من دوامة الهواء خلف السيارة. تشمل المكونات الديناميكية الهوائية الأخرى الموجودة في الجزء السفلي لتحسين قوة الدفع السفلي و/أو تقليل مقاومة الهواء، مُشتتات الهواء ومولدات الدوامات.
بعض السيارات، مثل سيارة دلتا وينج ، لا تحتوي على أجنحة، وتولد كل قوة الضغط السفلية من خلال هيكلها.
الأجنحة الهوائية
يعتمد مقدار قوة الضغط السفلية الناتجة عن الأجنحة أو المشتتات الهوائية في السيارة بشكل أساسي على ثلاثة أشياء:
- شكل الجهاز، بما في ذلك مساحة السطح ونسبة العرض إلى الارتفاع والمقطع العرضي،
- اتجاه الجهاز (أو زاوية الهجوم )، و
- سرعة المركبة.
تؤدي مساحة السطح الأكبر إلى زيادة قوة الضغط السفلية ومقاومة الهواء . نسبة العرض إلى الطول هي عرض الجناح مقسومًا على وتره. إذا لم يكن الجناح مستطيلًا، تُكتب نسبة العرض إلى الطول على النحو التالي: AR = b² / s، حيث AR = نسبة العرض إلى الطول، و b = طول الجناح، و s = مساحة الجناح. كذلك، تؤدي زاوية الهجوم (أو الميل) الأكبر للجناح أو المفسد إلى زيادة قوة الضغط السفلية، مما يزيد الضغط على العجلات الخلفية ويزيد مقاومة الهواء.
أمام
تؤدي الأجنحة الأمامية للسيارة وظيفتين رئيسيتين: فهي تولد قوة ضاغطة تعزز تماسك الإطارات الأمامية، وتعمل في الوقت نفسه على تحسين (أو تقليل اضطراب) تدفق الهواء إلى باقي أجزاء السيارة. تخضع الأجنحة الأمامية في سيارات السباق ذات العجلات المكشوفة لتعديلات مستمرة مع جمع البيانات من سباق لآخر، ويتم تخصيصها لتناسب كل خصائص حلبة السباق (انظر الصور العلوية). في معظم سلاسل السباقات، تُصمم الأجنحة بحيث يمكن تعديلها أثناء السباق نفسه عند صيانة السيارة.
مؤخرة
يتأثر تدفق الهواء في الجزء الخلفي من السيارة بالأجنحة الأمامية والعجلات الأمامية والمرايا وخوذة السائق والفتحات الجانبية والعادم. هذا يجعل الجناح الخلفي أقل كفاءة من الناحية الديناميكية الهوائية مقارنةً بالجناح الأمامي. ومع ذلك، ولأنه يجب أن يولّد قوة ضغط سفلية تزيد عن ضعف قوة الأجنحة الأمامية للحفاظ على توازن السيارة، فإن الجناح الخلفي عادةً ما يكون له نسبة عرض إلى طول أكبر بكثير، وغالبًا ما يستخدم عنصرين أو أكثر لزيادة مقدار قوة الضغط السفلية المتولدة (انظر الصورة على اليسار). ومثل الأجنحة الأمامية، يمكن تعديل كل عنصر من هذه العناصر عند صيانة السيارة، قبل السباق أو حتى أثناءه، وهي تخضع لاهتمام وتعديل مستمرين.
أجنحة في أماكن غير معتادة
نتيجةً جزئيةً للقواعد التي تهدف إلى تقليل قوة الضغط السفلية الناتجة عن الأجنحة الأمامية والخلفية لسيارات الفورمولا 1، سعت العديد من الفرق إلى إيجاد أماكن أخرى لتثبيت الأجنحة. بدأت الأجنحة الصغيرة المثبتة على الجزء الخلفي من جوانب السيارات بالظهور في منتصف عام 1994، وأصبحت شبه قياسية في جميع سيارات الفورمولا 1 بشكل أو بآخر، إلى أن تم حظر جميع هذه الأجهزة في عام 2009. ظهرت أجنحة أخرى في أماكن متفرقة من السيارة، ولكن هذه التعديلات تُستخدم عادةً فقط في الحلبات التي تتطلب فيها قوة ضغط سفلية عالية، وخاصةً حلبتي سباق المجر وموناكو الملتوية.
كانت سيارة ماكلارين مرسيدس MP4/10 موديل 1995 من أوائل السيارات التي تميزت بجناح وسطي، مستغلةً ثغرة في اللوائح لتركيب جناح فوق غطاء المحرك. ومنذ ذلك الحين، استخدمت جميع الفرق المشاركة في السباقات هذا التصميم في وقت أو آخر، وفي سباق جائزة موناكو الكبرى عام 2007، استخدمته جميع الفرق باستثناء فريقين. يجب عدم الخلط بين هذه الأجنحة الوسطية والكاميرات المثبتة على قفص الحماية، والتي تحملها كل سيارة بشكل قياسي في جميع السباقات، أو مع أجهزة التحكم في تدفق الهواء على شكل قرن الثور التي استخدمتها ماكلارين أولاً، ثم بي إم دبليو ساوبر لاحقاً، والتي تتمثل وظيفتها الأساسية في تنعيم وإعادة توجيه تدفق الهواء لزيادة فعالية الجناح الخلفي بدلاً من توليد قوة ضغط سفلية.
كان من بين التعديلات على هذا التصميم "الأجنحة المتقاطعة"، وهي أجنحة عالية مثبتة على مقدمة الجوانب الجانبية، تستخدم ثغرة مشابهة للأجنحة المتوسطة. استخدمها فريق تيريل لأول مرة عام 1997، وكان آخر استخدام لها في سباق جائزة سان مارينو الكبرى عام 1998، بعد أن كانت فرق فيراري وساوبر وجوردان وغيرها قد استخدمت هذا التصميم. ومع ذلك، تقرر حظرها نظرًا لما تسببه من إعاقة أثناء التزود بالوقود، وللخطر الذي تشكله على السائق في حال انقلاب السيارة.
تم تجربة العديد من الأجنحة الإضافية الأخرى من وقت لآخر، ولكن في الوقت الحاضر أصبح من الشائع أكثر أن تسعى الفرق إلى تحسين أداء الأجنحة الأمامية والخلفية باستخدام أجهزة التحكم في التدفق المختلفة مثل "قرون الثور" المذكورة سابقًا والتي تستخدمها ماكلارين.
انظر أيضاً
للمزيد من القراءة
- سايمون ماكبيث، قوة الدفع السفلية لسيارات السباق: دليل عملي ، جمعية مهندسي السيارات الدولية، 2000، رقم ISBN 1-85960-662-8
- سايمون ماكبيث، ديناميكا الهواء لسيارات السباق ، سباركفورد، هاينز، 2006
- إنريكو بنزينج ، علي / وينجز. التطوير والتطبيق التلقائي من خلال هذا البرنامج. تصميمها وتطبيقها على سيارات السباق ، ميلانو، ندى، 2012. ثنائي اللغة (الإيطالية-الإنجليزية)
مراجع
- ↑ كاتز، جوزيف (1995). ديناميكا الهواء لسيارات السباق: التصميم من أجل السرعة . روبرت بنتلي، إنكوربوريتد. ص 50، 52. ISBN 9780837601427.تم استرجاع المعلومات من الموقع http://hpwizard.com/aerodynamics.html بتاريخ 28 فبراير 2020
روابط خارجية
- الديناميكا الهوائية في سباقات السيارات (مؤرشفة بتاريخ 6 ديسمبر 2009 على موقع Wayback Machine)
- الديناميكا الهوائية
- مصطلحات رياضة السيارات
- ديناميكيات المركبة