Ни для кого не секрет, что болиды Формулы 1 очень быстры. И быстры они не только за счёт двигателя, а по большей части за счёт аэродинамики, ведь для достижения скоростей на прямых участках действительно достаточно только мощности силового агрегата, а для того, чтобы болид максимально быстро проезжал повороты, необходим достаточный уровень аэродинамической загрузки, то есть прижимной силы — о ней и поговорим.
Прошлые материалы из серии "F1 в деталях"
Есть в Формуле 1 такой человек - Эдриан Ньюи, под его руководством построена уйма чемпионских болидов в нескольких командах и его по праву называют гением аэродинамики. Если точнее, то болиды, постройкой которых он руководил, победили в 150 Гран При Ф1, принесли 10 кубков конструкторов командам и 10 титулов гонщикам в личном зачёте, а его гений помог командам Williams, McLaren и Red Bull оставить значимый след в современной истории Формулы 1.
Он был и является настоящим революционером в Ф1 и создал такие вещи, как гибкое днище, гибкое переднее антикрыло а так же нашумевшие выдувные диффузоры. Его разработки всегда были самыми прорывными и значительно ускоряли болид, более того, он использовал так называемые "серые" зоны регламента, что, в свою очередь, значительно ускоряло потоки ненависти в его адрес со стороны других команд.
Все эти разработки, как вы понимаете, находятся именно в области аэродинамики и кратким рассказом об Эдриане Ньюи я хотел подчеркнуть то, что обладая смелостью и некоторой "инженерной дерзостью", можно выигрывать чемпионаты Формулы 1 и, даже не являясь гонщиком, быть настоящей звездой.
Так вот, перейдём от самого Эдриана Ньюи к тому, над чем он работал всю жизнь - к аэродинамике болида и сути того, что называют граунд-эффектом.
Базовые принципы
Итак, в движении на любую машину действуют следующие силы:
- Сила лобового сопротивления
- Подъёмная сила
- Прижимная сила
Представим себе то, что воздух не прозрачен, а подкрашен в любой цвет. Далее представим себе обычный автомобиль, который движется сквозь этот воздух, а мы смотрим на запись этого проезда в замедленной съёмке, что мы увидим? Правильно, мы увидим разделение потоков воздуха - часть уйдёт под днище, найдя выход под задним бампером, а часть уйдёт наверх и пройдёт далее до конца крыши.
В контексте этой статьи, сначала рассмотрим поток, который уходит под днище. Основная аэродинамическая суть граунд-эффекта заключается в том, что необходимо создать для воздуха область с максимально низким давлением и максимальной скоростью потока, чтобы воздух сверху кузова давил на всю машину целиком и, за счёт созданного низкого давления под днищем, машина бы прилипала к земле. Из физики мы знаем, что чем быстрее течёт газ, тем ниже его статическое давление, то есть главная задача инженеров по аэродинамике - это разогнать поток под днищем, при этом сохранив его стабильность.
Обратный же эффект, когда поток сверху машины будет быстрее, чем поток снизу, приведёт к образованию подъемной силы, что, естественно, совершенно не нужно ни дорожной, ни спортивной, ни гоночной машине. Этот принцип, кстати, лежит в основе конструкции крыла самолёта - за счёт того, что оно несимметрично, воздух над крылом проходит больший путь, растёт его скорость, и, следовательно, уменьшается статическое давление на крыло, а вот воздух под крылом проходит меньший путь и давление в области под крылом оказывается выше, благодаря чему и возникает подъёмная сила.
Так вот, возвращаясь к автомобилям, давайте от общей теории, справедливой для любых автомобилей перейдём к частностям, то есть автомобилям гоночным, так как для них аэродинамика играет более важную роль, чем для дорожных. Как должно выглядеть идеальное, с точки зрения аэродинамики, днище? Оно должно быть в форме банана: тогда воздух по внешней его части будет проходить куда больший путь и создавать необходимый эффект. Но не бывает ничего идеального и в реальном мире автомобиль с такой формой днища построить невозможно, т.к настоящему гоночному автомобилю требуется подвеска, трансмиссия, монокок и другие элементы, которые влияют на конструкцию пола. То есть задача по отведению воздуха из-под днища не такая уж и простая и требует учитывать многие факторы.
На современных болидах Формулы 1 создаваемое разряжение под днищем настолько сильное, что его силой можно вырвать плохо закреплённые элементы трассы, например крышки дренажной системы или же канализационные люки на городских этапах. В 2019 году я ездил на Гран При Азербайджана в Баку и там как раз произошла подобная история - в первой сессии свободных заездов на одной из прямых болид Джорджа Рассела вырвал плохо закреплённый люк, который очень сильно повредил весь болид, разбив ему днище и диффузор. Сессия в итоге была отменена из-за опасности повторения ситуации, а персонал и стюарды вынуждены были проверить каждый из более, чем 200 люков на трассе и убедится в надёжности их крепления. Видео того инцидента из официального Инстаграма Ф1:
Как 40 лет назад пришли к граунд-эффекту и генерации прижимной силы?
Граунд-эффект штука не новая, в Формуле 1 её начали использовать ещё в конце 70-х годов и далее, постоянно стараясь приклеить болид к земле так сильно как это только возможно, именно поэтому, кстати, болиды тех времён, особенно в 80-х, так ярко искрили - детали днища и подвески болидов буквально тёрлись об асфальт под аэродинамической нагрузкой. К слову, бесконтрольное использование граунд-эффекта делало болиды менее предсказуемыми и более опасными, частично писал об этом в этих статьях:
Была в те годы группа людей, которые, как и Эдриан Ньюи (как и Росс Браун кстати, но о нём не сейчас), любили те самые "серые" зоны регламента, руководил той группой Берни Экклстоун в творческом союзе с конструктором Гордоном Марри (или Мюрреем, кто как его называет, но он Gordon Murray), а называлась их команда Brabham.
Сейчас расскажу немного истории. В сезоне 1978 года абсолютно доминирующим болидом был Lotus 78, который от и до был построен главным конструктором команды Колином Чепменом на принципе граунд-эффекта. В Lotus раньше других поняли всё преимущество создания области разряжения и смогли создать профилированное днище с изогнутым к концу диффузором для отвода воздуха, благо компоновка их болида с мотором Ford Cosworth позволяла это сделать с самого начала. В сезоне 1979 года Lotus представил болид Lotus 79, который стал эволюцией прошлогоднего шасси, им удалось ещё сильнее доработать его и добавить до 15% прижимной силы, что позволило им снизить углы атаки антикрыльев и добавить скорости болиду как в поворотах, так и на прямых, конкуренты из Brabham были в ужасе и начали искать возможности добиться схожих показателей, но им мешал огромный мотор Alfa Romeo, который не позволял сделать новый выхлоп, днище и диффузор для достижения такого же уровня прижимной силы.
- Читайте так же: Сложнейшая выхлопная система в мире: F1 в деталях
Отбросив свою фантастическую идею двойного монокока, Гордон Марри решил, что если уж мы не можем заставить воздушные потоки распределяться так, как нам нужно, то давайте извлекать воздух из-под болида как-то иначе и предложил экстраординарное решение: поставить позади болида вентилятор, который бы буквально высасывал воздух. И это было реализовано! Тогда только вступили в силу новые поправки к регламенту в которых было сказано, что подвижные аэродинамические элементы могут присутствовать на машине только в том случае, если аэродинамика не является основной их функцией. Конечно, у них были сомнения, и сам Гордон рассказывал, как взял регламент, пришёл с ним к юристу, показал нужный пункт и задал вопрос:
«Я спросил его: «В договоре есть фраза "основная функция", как ты ее интерпретируешь?»
Юрист спросил Гордона: «А сколько в принципе может быть функций?»
Я сказал, что две, тогда он ответил: «Значит основной будет та, которая занимает более 50%».
Таким образом, они замаскировали свой пропеллер под систему дополнительного охлаждения двигателя, чтобы не противоречить правилам. Результатом их действий стал болид Brabham BT46B, листайте галерею ниже, чтобы оценить всю суть их проекта:
Этот болид дебютировал на Гран При Швеции в 1979 году и с лёгкостью выиграл его под управлением Ники Лауды, который признался, что на тот момент это стало его самой лёгкой победой, так как болид был просто фантастическим по своим характеристикам и прилипал к трассе. Естественно, это не понравилось всем остальным командам, они подали протесты и уже на следующем Гран При команде Brabham пришлось убрать вентилятор, но та машина получила прозвище "пылесос" и навсегда вошла в историю Формулы 1.
Болид вызвал множество споров, но, что важнее всего, доказал тот факт, что эффективное извлечение воздуха из-под днища и создание граунд-эффекта позволяет значительно ускорить болид, что дало импульс для развития технологий аэродинамики в Формуле 1 на рубеже 70-х и 80-х годов.
Кстати, ещё раньше, в конце 60-х и начале 70-х конструкторы стали догадываться, что надо как-то уменьшать подъёмную силу и увеличивать прижимную, попытки реализовать эту концепцию привели к созданию антикрыла на Matra MS10.
А в 1969 году у Джеки Стюарта на Гран При ЮАР была даже версия с двумя крыльями! Позднее такую конструкцию запретили.
Есть ещё вот такая хорошая картинка с наглядной историей прижимной силы от 50-х годов до нулевых:
Повторюсь, граунд-эффект со временем стал весьма и весьма опасной штукой, так как к концу 80-х и началу 90-х болиды были уже намного быстрее, а использование граунд-эффекта никак не регламентировалось, что приводило к тому, что любое изменение в распределении потока под днищем и изменение в его давлении приводили к срыву болида в неуправляемый полёт, а создать такую ситуацию и разбалансировать болид могли банальные вещи типа кочки, поребрика, сильного порыва ветра или контакта с другим болидом. К слову, в гибели Айртона Сенны в 1994 году обвиняют так же и его болид Williams, который был далёк от аэродинамического совершенства, а построил его тот самый Эдриан Ньюи, на тот момент имевший уже очень напряжённые отношения с руководством и стоявший на пороге выхода из команды.
Как и чем сейчас генерируется прижимная сила на болидах?
В современной Формуле 1 основной принцип граунд-эффекта никуда не делся, только его использование стало сильнее контролироваться регламентом - в первую очередь, болид теперь запрещено опускать так низко, как только возможно (вспоминаем контрольную деревянную планку под днищем), но и добавились возможности достичь этого эффекта другими путями, ведь конструкции переднего крыла, днища и диффузора существенно изменились.
Для граунд-эффекта в Формуле 1 важно пустить под днище как можно меньше воздуха на как можно большей скорости и сохранить его стабильность, тем самым создав область низкого давления.
Решение этой задачи начинается с переднего антикрыла, которое отсекает встречный воздух, направляя его над колёсами и к тормозным дефлекторам, а так же значительную часть отсекая к боковым частям болида. Переднее крыло очень важная составляющая для достижения правильного распределения воздушных потоков, по оценке и компьютерному модулированию, переднее крыло создаёт порядка 25% всей прижимной силы болида.
Днище современных болидов так же претерпело значительные изменения, теперь оно и длиннее и шире. Плюс ко всему, теперь его обрамляют боковые понтоны, выходящие за рамки корпуса болида, которые не дают воздуху с более высоким давлением попасть под днище и создать завихрения и подъёмную силу. Само днище, в составе которого считаются и боковые понтоны и задний диффузор, генерирует порядка 40% прижимной силы!
Да и в целом днище болида - это сложная система из десятков воздушных каналов, закрылков, предкрылков и прочих прорезей, которые перераспределяют потоки разогнанного воздуха в ограниченном пространстве под болидом.
На гифке ниже хорошо видны завихрения, возникающие как раз в месте разделения потоков там, где начинаются элементы днища.
А в компьютерной симуляции эти завихрения выглядят примерно так:
Или так:
Как видно, воздух отводится идеально о сторонам, при этом завихрения не такие большие и не смогу нанести вреда. А самое главное, весь поток воздуха не попадает под болид.
Но важнейшим элементом этой системы является его конечная часть - диффузор. Помните, что выше было сказано о том, что форма условного банана является идеальной, но недостижимой? Вот как раз диффузор, являющийся продолжением днища, призван решить эту проблему своей формой. Схематично это выглядит так:
А вот фотографии настоящих диффузоров на современных болидах Ф1, листайте галерею:
Обратите внимание на то, как он изогнут и направлен вверх, это и создаёт форму банана, ну или перевёрнутого крыла самолёта. Воздух проходит больший путь в меньшем пространстве, разгоняется, его статическое давление падает, создаётся область разряжения, машину придавливает к поверхности трека.
Помимо изогнутости, диффузор расширяется, что ещё сильнее уменьшает давление воздуха в задней части болида, создавая дополнительное разряжение. А все те пластины и рёбра, которые можно видеть на фотографиях, разделяют потоки, чтобы воздух выходил не единым массивом, образовывая за собой огромный вихрь при столкновении с массой воздуха другого давления, а разделялся на несколько небольших вихрей, что гораздо безопаснее и не создаёт лишней турбулентности в задней части.
Помните, чуть выше было про революционные Lotus 78 и 79? Вот именно эту способность эффективно эвакуировать быстрый воздух из-под болида они и разработали с помощью диффузора и удачной компоновки мотора и выхлопа, что дало им огромное преимущество в 1978-1979 годах.
Компьютерное моделирование областей высокого и низкого давления вокруг болида и особенно за болидом, можно рассмотреть на изображении ниже:
А вот примерное распределение потоков и их взаимодействие:
Несмотря на то, что речь в этой статье преимущественно про граунд-эффект и про свойства воздуха, проходящего под болидом, обязательно стоит упомянуть и про заднее антикрыло, которое генерирует до 25% прижимной силы.
По сути, процессы, проходящие в области заднего крыла чем-то похожи на процессы, проходящие в области днища, только на метр выше. Основная суть - разогнать поток воздуха под крылом, сделать его более разряженным, а поток, который будет ложиться на крыло, будет более медленным и плотным, тем самым создастся прижимная сила.
Но разница в скорости между воздухом, попавшим на крыло и воздухом, находящимся рядом, слишком велика - при смешивании этих потоков непременно возникнут вредные завихрения, эту проблему надо как-то решать инженерам.
Первые формульные антикрылья были по нынешним меркам крайне нелепыми, вот например:
По мере увеличения скорости, вредные вихри могли привести к обратному эффекту от крыла - вихри могли сделать заднюю часть болида нестабильной, поэтому вскоре инженеры пришлю к решению, как усмирить и распределить эти вихри, были разработаны торцевые пластины заднего антикрыла. Сначала они были небольшими:
Затем и форма, и площадь и размер крыльев изменились, в том числе изменились и торцевые пластины. Крыло теперь смещено назад и оно по-прежнему генерировало большую часть прижимной силы и требовало особой разработки:
Затем на революционном Lotus 78 появляется граунд-эффект, инженеры уже гораздо более плотно занимаются аэродинамикой, появляются более привычные нам задние антикрылья с торцевыми пластинами:
Развившись, идеи усмирения вредных завихрений пришли в наше время в виде сложных составных задних антикрыльев с уникальной формой и множественными прорезями и крылышками для максимального эффекта:
- Читайте так же: Сколько стоит болид Формулы 1?
Заключение
Заключение хочется обозначить вот такой иллюстрацией:
Итак, что хочется сказать: открытие Колином Чемпеном и командой Lotus граунд-эффекта и начало его применения в Формуле 1 положило начало новой эре в конструировании болидов, теперь, по сути, аэродинамика является самой важной частью успеха того или иного болида. Ну, пожалуй, наравне с двигателем.
Сама по себе аэродинамика сложна, но крайне необходима для производства дорожных автомобилей. А уж для гоночных это просто номер 1.
Самое удивительное, что мы практически не имеем возможности увидеть, услышать и почувствовать те силы и то преимущество, которое можно получить от правильного разрезания воздуха гоночным болидом, в этом есть какая-то магия, как мне кажется :)
Я сам далеко не физик или инженер, да и вообще далёк от точных наук, но в мире автоспорта и, в частности, Формулы 1, всегда есть целая гора технических тем, в которых так и хочется покопаться и поизучать.
Надеюсь, текст вам понравился и вы почерпнули сколько-то полезной информации для себя! Увидимся в следующих статьях!
#даниил квят #себастьян феттель #пьер гасли #льюис хэмилтон #льюис хэмильтон #кими райкконен #гонки #автогонки #аэродинамика #берни экклстоун
