Как найти прижимную силу

From Wikipedia, the free encyclopedia

Downforce is a downwards lift force created by the aerodynamic features of a vehicle. If the vehicle is a car, the purpose of downforce is to allow the car to travel faster by increasing the vertical force on the tires, thus creating more grip. If the vehicle is a fixed-wing aircraft, the purpose of the downforce on the horizontal stabilizer is to maintain longitudinal stability and allow the pilot to control the aircraft in pitch.

Fundamental principles[edit]

The same principle that allows an airplane to rise off the ground by creating lift from its wings is used in reverse to apply force that presses the race car against the surface of the track. This effect is referred to as “aerodynamic grip” and is distinguished from “mechanical grip”, which is a function of the car’s mass, tires, and suspension. The creation of downforce by passive devices can be achieved only at the cost of increased aerodynamic drag (or friction), and the optimum setup is almost always a compromise between the two. The aerodynamic setup for a car can vary considerably between race tracks, depending on the length of the straights and the types of corners. Because it is a function of the flow of air over and under the car, downforce increases with the square of the car’s speed and requires a certain minimum speed in order to produce a significant effect. Some cars have had rather unstable aerodynamics, such that a minor change in angle of attack or height of the vehicle can cause large changes in downforce. In the very worst cases this can cause the car to experience lift, not downforce; for example, by passing over a bump on a track or slipstreaming over a crest: this could have some disastrous consequences, such as Mark Webber’s and Peter Dumbreck’s Mercedes-Benz CLR in the 1999 24 Hours of Le Mans, which flipped spectacularly after closely following a competitor car over a hump.

Two primary components of a racing car can be used to create downforce when the car is travelling at racing speed:

• the shape of the body, and
• the use of airfoils.

Most racing formulae have a ban on aerodynamic devices that can be adjusted during a race, except during pit stops.

The downforce exerted by a wing is usually expressed as a function of its lift coefficient:

where:

• F is downforce (SI unit: newtons)
• C_L is the lift coefficient
• ρ is air density (SI unit: kg/m³)
• v is velocity (SI unit: m/s)
• A is the area of the wing (SI unit: meters squared), which depends on its wingspan and chord if using top wing area basis for C_L, or the wingspan and thickness of the wing if using frontal area basis

In certain ranges of operating conditions and when the wing is not stalled, the lift coefficient has a constant value: the downforce is then proportional to the square of airspeed.

In aerodynamics, it is usual to use the top-view projected area of the wing as a reference surface to define the lift coefficient.

Body[edit]

The rounded and tapered shape of the top of the car is designed to slice through the air and minimize wind resistance. Detailed pieces of bodywork on top of the car can be added to allow a smooth flow of air to reach the downforce-creating elements (i.e., wings or spoilers, and underbody tunnels).

The overall shape of a street car resembles an airplane wing. Almost all street cars have aerodynamic lift as a result of this shape.^[1] There are many techniques that are used to counterbalance a street car. Looking at the profile of most street cars, the front bumper has the lowest ground clearance followed by the section between the front and rear tires, and followed yet by a rear bumper usually with the highest clearance. Using this method, the air flowing under the front bumper will be constricted to a lower cross sectional area, and thus achieve a lower pressure. Additional downforce comes from the rake (or angle) of the vehicles’ body, which directs the underside air up and creates a downward force, and increases the pressure on top of the car because the airflow direction comes closer to perpendicular to the surface. Volume does not affect the air pressure because it is not an enclosed volume, despite the common misconception. Race cars will amplify this effect by adding a rear diffuser to accelerate air under the car in front of the diffuser, and raise the air pressure behind it to lessen the car’s wake. Other aerodynamic components that can be found on the underside to improve downforce and/or reduce drag, include splitters and vortex generators.

Some cars, such as the DeltaWing, do not have wings, and generate all of their downforce through their body.

Airfoils[edit]

The magnitude of the downforce created by the wings or spoilers on a car is dependent primarily on three things:

• The shape, including surface area, aspect ratio and cross-section of the device,
• The device’s orientation (or angle of attack), and
• The speed of the vehicle.

A larger surface area creates greater downforce and greater drag. The aspect ratio is the width of the airfoil divided by its chord. If the wing is not rectangular, aspect ratio is written AR=b²/s, where AR=aspect ratio, b=span, and s=wing area. Also, a greater angle of attack (or tilt) of the wing or spoiler, creates more downforce, which puts more pressure on the rear wheels and creates more drag.

Front[edit]

The function of the airfoils at the front of the car is twofold. They create downforce that enhances the grip of the front tires, while also optimizing (or minimizing disturbance to) the flow of air to the rest of the car. The front wings on an open-wheeled car undergo constant modification as data is gathered from race to race, and are customized for every characteristic of a particular circuit (see top photos). In most series, the wings are even designed for adjustment during the race itself when the car is serviced.

Rear[edit]

The flow of air at the rear of the car is affected by the front wings, front wheels, mirrors, driver’s helmet, side pods and exhaust. This causes the rear wing to be less aerodynamically efficient than the front wing, Yet, because it must generate more than twice as much downforce as the front wings in order to maintain the handling to balance the car, the rear wing typically has a much larger aspect ratio, and often uses two or more elements to compound the amount of downforce created (see photo at left). Like the front wings, each of these elements can often be adjusted when the car is serviced, before or even during a race, and are the object of constant attention and modification.

Wings in unusual places[edit]

Partly as a consequence of rules aimed at reducing downforce from the front and rear wings of F1 cars, several teams have sought to find other places to position wings. Small wings mounted on the rear of the cars’ sidepods began to appear in mid-1994, and were virtually standard on all F1 cars in one form or another, until all such devices were outlawed in 2009. Other wings have sprung up in various other places about the car, but these modifications are usually only used at circuits where downforce is most sought, particularly the twisty Hungary and Monaco racetracks.

The 1995 McLaren Mercedes MP4/10 was one of the first cars to feature a “midwing”, using a loophole in the regulations to mount a wing on top of the engine cover. This arrangement has since been used by every team on the grid at one time or another, and in the 2007 Monaco Grand Prix all but two teams used them. These midwings are not to be confused either with the roll-hoop mounted cameras which each car carries as standard in all races, or with the bull-horn shaped flow controllers first used by McLaren and since by BMW Sauber, whose primary function is to smooth and redirect the airflow in order to make the rear wing more effective rather than to generate downforce themselves.

A variation on this theme was “X-wings”, high wings mounted on the front of the sidepods which used a similar loophole to midwings. These were first used by Tyrrell in 1997, and were last used in the 1998 San Marino Grand Prix, by which time Ferrari, Sauber, Jordan and others had used such an arrangement. However it was decided they would have to be banned in view of the obstruction they caused during refueling and the risk they posed to the driver should a car roll over. (It is rumored that Bernie Ecclestone saw them as being too ugly on television and therefore had them banned).^{[citation needed]}

Various other extra wings have been tried from time to time, but nowadays it is more common for teams to seek to improve the performance of the front and rear wings by the use of various flow controllers such as the afore-mentioned “bull-horns” used by McLaren.

See also[edit]

• Bernoulli’s principle
• Body kit
• Formula One car
• Grip (auto racing)
• Ground effect in cars
• Lift (force)
• Wind tunnel

Further reading[edit]

• Simon McBeath, Competition Car Downforce: A Practical Handbook, SAE International, 2000, ISBN 1-85960-662-8
• Simon McBeath, Competition Car Aerodynamics, Sparkford, Haynes, 2006
• Enrico Benzing, Ali / Wings. Progettazione e applicazione su auto da corsa. Their design and application to racing car, Milano, Nada, 2012. Bilingual (Italian-English)

References[edit]

External links[edit]

• Aerodynamics In Car Racing

Аэродинамика. Часть 1. Подъемная сила

Итак, продолжу серию постов про аэродинамику и ее использование в автомобиле.

Каждый когда-нибудь видел, как болиды формулы 1, проносясь мимо оператора с камерой, во время дождевых гонок поднимают за собой красивые шлейфы водяного тумана. Как один болид “вешается на хвост” другому, а потом совершает резкий маневр и через несколько секунд оказывается впереди него. Как без всякой видимой причины во время ралли отрываются спойлеры и антикрылья — в эти моменты все вспоминают про аэродинамику.

Аэродинамика, как магия, наука о воздухе — о том, что скрыто от человеческого глаза, но в тоже время таит в себе большую силу. Она многолика, так как воздух окружает нас повсюду. Благодаря аэродинамике летают самолеты, а лыжники с максимальной скоростью несутся по склону горы, приняв наилучшее положение для обтекания. Но в контексте драйв2 область наших интересов в аэродинамике ограничивается автомобилями — о них и поговорим)
Все слышали про Джереми Кларксона, (в прошлом одного из ведущих TopGear`а и на мой взгляд лучшего автомобильного журналиста), но мало кто слышал про Эдриана Ньюи, который учился в старших классах вместе с Джереми. А между тем, Эдриан Ньюи — гениальный инженер-конструктор, один из самых успешных в истории мирового автоспорта! Болиды, сконструированные под его руководством для разных команд, три раза побеждали в знаменитой гонке Индианаполис-500, в гонках Формулы-1 принесли победу в 150 Гран-при, 10 чемпионских титулов и 10 Кубков Конструкторов. Его по праву считают гением аэродинамики, практически волшебником. Посмотрите на любое из его творений и представьте, как оно врезается в стену воздуха, как своими грациозными обводами направляет поток именно туда, куда нужно.

Работа аэродинамика в чем-то напоминает работу скульптора — нужно убрать все лишнее и оставить самую суть. Посмотрите на простую каплю дождя. Это и есть идеальная форма, созданная самим воздухом. Именно так он хочет обтекать движущееся в нем тело.

Задача специалистов по аэродинамике создать такую форму, которую воздуху будет удобно обтекать, и, обтекая которую, он принесет максимум пользы. Давайте вернемся к кузову автомобиля и разберемся в том, как на него воздействует набегающий поток воздуха. Хотя по своей сути набегающий поток, это своего рода условность. Потому что на самом деле автомобиль “набегает” на неподвижный воздух. Но такую систему координат неудобно рассматривать и анализировать, поэтому свяжем ее с автомобилем. В этом случае воздух будет двигаться относительно неподвижного автомобиля.
Прежде чем рассматривать взаимодействие автомобиля с потоком, необходимо ознакомиться с некоторыми основами аэродинамики, которые понадобятся нам в дальнейшем.

В аэродинамике великое множество различных формул, уравнений/зависимостей и законов. Целью данного повествования является общее ознакомление с аэродинамикой, поэтому я не буду вдаваться в это поражающее своим разнообразием обилие символов и чисел, рассмотрим только два из основных законов.
Первый мы видим каждый день. Представьте себе кран. Обыкновенный кран в ванной комнате или на кухне, из которого спокойно вытекает струя воды. Давайте взглянем на нее повнимательнее. Что мы видим? Она сужается! На самом деле все очень просто — каждая “частичка” воды, находится под действием гравитации. Значит на каждую частицу действует ускорение свободного падения, и каждая частица по мере удаления от крана падает все быстрее. Если взять и мысленно рассечь струю у самого крана и на некотором удалении от него, то мы увидим, что через полученные сечения будут двигаться частицы воды: у крана — с малой скоростью, а на отдалении — с большей. Если площадь сечений будет постоянной, то через более удаленное сечение в единицу времени будет проходить больше жидкости, чем через менее удаленное. Но откуда она возьмется, если кран у нас один и напор воды в нем постоянный? Поэтому площадь поперечного сечения струи уменьшается с ростом скорости течения и через каждое сечение проходит одно и то же количество жидкости.

Этот простой пример отражает смысл уравнения неразрывности: чем меньше площадь сечения, через которое течет жидкость, тем больше ее скорость. А причем здесь воздух, спросите вы? Оказывается, у жидкостей и газов много общего, и поведение газа при небольших скоростях во многом повторяет поведение жидкости. Поэтому уравнение неразрывности распространяется и для газовых течений. Главное, чтобы скорости не были очень большими, поскольку в этом случае газ можно считать почти несжимаемым. При больших скоростях газ начинает сжиматься. Например, на сверхзвуке уменьшение площади сечения приведет к появлению пульсаций уплотнения и снижению скорости. Но поскольку мы не рассматриваем автомобили-ракеты, пронзающие воздух на соляных озерах в погоне за очередным земным рекордом скорости, поскольку даже безумно быстрый Bugatti Veyron в два с лишним раза медленнее скорости звука, мы смело можем брать на вооружение уравнение неразрывности.

Второе уравнение называется уравнением Бернулли и говорит о законе сохранения энергии, выраженном через давления. Давление бывает полным, статическим и динамическим. Полное давление как раз и складывается из статического и динамического давлений:

Статическое давление не зависит от скорости. То есть в движущемся с некоторой скоростью потоке для того, чтобы замерить статическое давление, необходимо двигаться со скоростью потока. В этом случае скорость потока относительно измерительного устройства (манометра) будет равно нулю.
Динамическое давление, напротив, зависит от скорости. Причем, что очень важно, не просто от скорости, а от квадрата скорости. Представьте себе неподвижный газ, находящийся в некотором объеме. Элементарные частицы газа хаотично перемещаются на микроуровне (броуновское движение). При этом они сталкиваются друг с другом и со стенками резервуара, в котором газ находится. Вот эти вот удары о стенки сосуда и создают давление. В данном случае это будет статическое давление, которое равно полному. Другими словами – динамическая составляющая давления отсутствует. Теперь если заставить этот же газ течь по трубе с какой-либо отличной от нуля скоростью, то часть энергии элементарных частиц уйдет на движение газа на макроуровне (перемещение больших объемов). А на удары о стенки трубы, по которой движется газ, у элементарных частиц останется меньше энергии. Поэтому статическое давление уменьшится по сравнению с первым случаем на величину динамической составляющей. В принципе этот пример и иллюстрирует уравнение Бернулли.

Воздействие набегающего на автомобиль потока воздуха сводят к аэродинамическим силам. В контексте этого поста нас будут интересовать сила лобового сопротивления, направленная в сторону, противоположную движению автомобиля, и подъемная сила, перпендикулярная плоскости, в которой движется автомобиль, снизу вверх (отрицательная подъемная сила называется прижимной и направлена сверху вниз).

Аэродинамические силы вычисляются по формулам:

Всем, кто учился в школе, известно из курса физики, что сила – это произведение давления на площадь. Но форма автомобиля достаточно сложна и на практике довольно трудно определить, на какую именно площадь какое давление действует. Поэтому берут уже знакомую нам динамическую составляющую давления (которая на вышеприведенных формулах выделена фиолетовым цветом, её еще называют скоростным напором) и умножают на некоторую характерную площадь, например на площадь поперечного сечения — так называемое миделевое сечение — (от нидерл. middel, буквально — средний, середина). А все особенности и нюансы учитывает одно число — аэродинамический коэффициент, который обозначается Сх или Су. Другими словами — это коэффициент незнания. Вычислить его теоретически очень сложно, а единственный достоверный метод определения — продувки в аэродинамической трубе или компьютерное моделирование.

Итак, вернёмся к кузову автомобиля и рассмотрим, каким образом формируется подъемная (или прижимная) сила.
Встретившись с автомобилем, набегающий поток воздуха разделяется. Одна часть потока уходит вниз, под днище автомобиля, а другая обтекает его сверху. Рассмотрим сначала поток, устремившийся под автомобиль. Все, что связано с движением потока под автомобилем так или иначе связано с английским словосочетанием «граунд-эффект» (эффект земли). А смысл граунд-эффекта объясняется при помощи уравнения Бернулли. Представьте себе крыло дозвукового самолета. Основная его особенность заключается в том, что профиль (сечение) этого крыла несимметричен, и поток над крылом должен пройти больший путь, чем поток под крылом. Таким образом, поток над крылом разгоняется, а это, согласно уравнению Бернулли, приводит к уменьшению статического давления. Разница между давлением под крылом и над крылом приводит к появлению подъемной силы. Но если взять и перевернуть это крыло, то подъемная сила превратится в прижимную.

В этом и заключается граунд-эффект: если спрофилировать днище особым образом, то поток под автомобилем будет разгоняться, что приведет к формированию зоны с пониженным давлением.Сделать днище такой формы, чтобы оно повторяло профиль дозвукового крыла достаточно проблематично, поскольку при проектировании спортивного автомобиля все не сводится к одной аэродинамике: необходимо как можно ниже опустить центр масс, обеспечить наилучшую развесовку по осям, оптимально разместить элементы подвески, трансмиссии и т.д. Кроме того, появление зоны с низким давлением под днищем неминуемо вызовет эффект пылесоса: воздух из зоны с высоким давлением устремится в зону с низким давлением, поэтому для предотвращения этого необходимо использовать боковые юбки, мешающие подсосу воздуха по бокам. Кстати, на спортивных автомобилях разряжение от действия граунд-эффекта настолько велико, что способно открыть чугунный канализационный люк, над которым проносится автомобиль.

Как видно, граунд-эффект требует выполнения множества условий одновременно. Реализовать их все пытались в Формуле 1 в конце 70-х – начале 80-х. Для болидов тех времен характерны минимальный клиренс, профилированное дно, боковые юбки. Тогда же на этапе гран-при первый и последний раз появилось легендарное творение великого хитреца из ЮАР Гордона Мюррея — болид Brabham BT46B, прозванный гоночным пылесосом. На нем был установлен вентилятор в задний части, служащий якобы для охлаждения двигателя. Во всяком случае, так обосновывалось его наличие с точки зрения согласования с техническим регламентом. Но на самом деле этот вентилятор откачивал воздух из под болида. Это давало колоссальное преимущество и позволило пилоту Ники Лауде одержать уверенную победу в дебютной для этого гоночного пылесоса гонке. После этого на команду обрушилась лавина протестов и дальновидный Берни Эклстоун, руководивший Brabham в те времена, снял машину с соревнований, дабы не портить себе репутацию.
Вот как это выглядело сзади:

Кстати, на заре Формулы 1 было очень много интересных, а порой и абсурдных инженерных решений, пожалуй, они стоят упоминания в отдельном посте. В среду/четверг напишу об этом отдельную статью, первые шаги аэродинамики в автоспорте — это действительно очень забавно))

Так вот, благодаря граунд-эффекту болиды с одной стороны действительно стали чудесным образом “прилипать” к трассе. Но с другой – его применение оказалось небезопасным, поскольку стоило автомобилю подскочить на кочке, как под него сразу устремлялся воздух из областей с большим давлением, прижимная сила мгновенно падала, и болид терял устойчивость. А если происходил контакт или по каким-то другим причинам разрушались юбки, то эффективность граунд-эффекта падала на порядки. Опасность заключалась еще и в том, что значительно возросли скорости и перегрузки, особенно в поворотах, и любая потеря прижимной силы вела к опасной ситуации. Поэтому руководством Формулы 1 использование граунд-эффекта было запрещено. Но это совсем не означает, что о нем забыли. Запрет лишь положил начало новому раунду борьбы конструкторов с техрегламентом. А основной принцип граунд-эффекта: разгон потока под днищем и создание разряжения, — широко применяется в автоспорте и по сей день.
Если заглянуть под любой среднестатистический автомобиль, то первое, что попадает нам на глаза — это элементы двигателя и трансмиссии, выхлопной и топливной систем, а так же детали подвески. Все они своими выступающими частями тормозят поток, делают течение под днищем вихревым (турбулентным), что приводит к снижению скорости потока и росту статического давления. Поэтому, если заглянуть под спортивный автомобиль, то вы увидите ровное дно с пластиковыми накладками, скрывающими отверстия и выступающие элементы.

Вспоминаем уравнение неразрывности: чтобы увеличить скорость надо уменьшить площадь канала, по которому течет газ. Область между днищем и дорожным полотном является своего рода каналом. Значит надо уменьшить клиренс. У спортивных автомобилей он настолько мал, что зачастую мы видим, как из под дна вырываются искры, образующиеся при соприкосновении его с асфальтом. Кроме того, под автомобиль стараются пускать как можно меньше воздуха. Чем меньше воздуха попадет под дно, тем меньшее давление он сможет создать. Поэтому передний бампер спорткаров украшают массивные спойлеры, отсекающие часть воздуха, стремящегося ворваться под днище автомобиля. Цель ограничить количество воздуха, проникающего под автомобиль, преследуют и юбки по бокам, о которых уже упоминалось выше.

Неотъемлемой частью современных гоночных автомобилей стал диффузор. Диффузор – это вариация на тему профилированного дна. Спрофилировать все дно проблематично, а в ряде гоночных серий это просто запрещено регламентом. Например, в Формуле-1 дно плоское и ступенчатое (дно в области боковых понтонов выше, чем дно в центральной части, где расположена доска скольжения). Казалось бы, реализовать хоть какое-то подобие граунд-эффекта в данной ситуации невозможно. Оказывается, возможно, благодаря использованию диффузора.

Рассмотрим, что происходит в области задней части днища при отсутствии диффузора.
За автомобилем находится зона разряжения. Когда поток, вырывающийся из под днища, начинает взаимодействовать с этой зоной, он резко замедляется. Это можно проиллюстрировать, рассмотрев данный процесс на упрощенном микроуровне элементарных частиц. Когда частицы газа движутся под днищем, они сталкиваются, отскакивают от днища и вновь сталкиваются, передавая тем самым энергию друг другу. Одна частица может потерять энергию, подтолкнув другую, но тут же получит энергию от третьей, та от четвертой и так далее. Таким образом, скорость потока поддерживается на определенном уровне. Когда же днище кончается, частицы не могут отталкиваться от него и часть из них устремляется в зону разряжения за автомобилем. Там взаимодействие между частицами уже не столь интенсивное, как это было под днищем. Поэтому энергия рассеивается, а скорость частиц падает. В том месте, где днище заканчивается, образуется вихревая зона. В этой области поведение потока непредсказуемо, он «не знает», куда ему двигаться: то ли в прежнем направлении, толи в зону с пониженным давлением. В вихревой зоне давление и скорость падают. В результате разгоняемый под днищем поток упирается в вихревую зону и теряет часть своей скорости, ну а последствия уже описывались: падение динамической составляющей давления, рост статической.

Диффузор представляет собой расширяющийся к концу болида участок днища. За счет того, что объем диффузора увеличивается, образуется зона разряжения. А вихри, которые образовывались без диффузора, уменьшаются. То есть диффузор как бы засасывает воздух из под днища и оптимизирует потоки в задней части. У диффузора кроме горизонтальных иногда имеются и вертикальные элементы, «причесывающие» поток и тем самым стабилизирующие его. У современных болидов Формулы 1 порядка 40 % прижимной силы создаётся благодаря работе диффузора.

С тем, что происходит под автомобилем, мы разобрались. Теперь проследим за другим потоком, который огибает кузов автомобиля сверху. Если представить, что автомобиль движется в некоем канале, то окажется, что площадь этого канала уменьшается. Поэтому скользя по капоту, проносясь над лобовым стеклом, поток ускоряется, а статическое давление падает. Проходя над крышей, поток движется с постоянной скоростью, после чего замедляется в области заднего стекла и багажника. Но, даже несмотря на замедление, скорость потока сверху все равно может оказаться выше, чем скорость потока под автомобилем. Получается некоторое подобие авиационного крыла — за счет разности давлений возникает подъемная сила, и автомобиль “пытается взлететь”. Для гражданских автомобилей хорошим результатом является сведение подъемной силы к нулю. Перед конструкторами гоночных болидов стоит более сложная задача: нужно прижать автомобиль к земле, создав прижимную силу. Посмотрим, что для этого придумали инженеры-конструкторы.
Во-первых, не стоит забывать о динамической составляющей давления.
Рассмотрим простой пример: Возьмем тонкую пластинку и направим поток воздуха параллельно плоскости этой пластинки. В этом случае влияние динамической составляющей на поверхность пластинки минимально. Теперь придадим пластинке некоторый угол атаки – угол между потоком и плоскостью пластинки. В авиации принято считать положительным угол атаки, образуемый вращением аэродинамической поверхности по часовой стрелке. Мы же повернем нашу пластинку против часовой стрелки, на отрицательный угол атаки (так называемый угол контратаки). С одной стороны площадь воображаемого канала уменьшится, а скорость потока возрастет. Это приведет к падению статического давления. Но наша пластина не полетит вверх, поскольку кроме ударов элементарных частиц газа на микроуровне (статическое давление) на пластинку будут оказывать влияние массы воздуха, движущиеся со скоростью потока (динамическая составляющая). Поэтому пластинка будет прижиматься вниз. То же самое происходит в области капота и лобового стекла. Придав им правильную форму, можно скомпенсировать падение статического давления увеличением влияния динамической составляющей. Но ничего не проходит бесследно. Посмотрим на нашу пластинку под углом атаки повнимательнее. Кроме того, что она прижимается вниз, она стремится сдвинуться назад. Именно так проявляется лобовое сопротивление (о котором речь пойдет в следующем посте). Поэтому необходимо искать компромисс между прижимной силой и лобовым сопротивлением.
Другой способ создать прижимную силу пришел прямиком из авиации. Если развернуть крыло, то вместо подъемной силы оно будет создавать прижимную. Эта идея перевернула гоночный мир с ног на голову в конце 60х годов, когда нелепые антикрылья стали появляться на болидах Формулы-1. С тех пор конфигурация и строение антикрыльев сильно изменилась, но основная идея осталась неизменной: ускорить поток под крылом и тем самым уменьшить статическое давление. У формульных болидов антикрылья вообще играют особую роль. Аэродинамика болидов с открытыми колесами значительно отличается от аэродинамики классических автомобилей: нет привычного капота, лобового и заднего стекла, багажника. Зато есть возможность установить массивные антикрылья спереди и сзади. Они создают свыше 50 % прижимной силы современных болидов Формулы 1. Формульные антикрылья состоят из нескольких плоскостей. Это обусловлено тем, что таким образом в ограниченные габариты можно уместить больше плоскостей, создающих прижимную силу. Но есть еще одна особенность, стимулирующая применение составных антикрыльев.

Если взять обычный авиационный дозвуковой профиль и перевернуть его, то окажется, что для его эффективной работы нужны достаточно большие по автомобильным меркам скорости. Современные пассажирские самолеты взлетают на скорости 250 км/ч, а средняя скорость на гран-при Монако, где прижимная сила нужна как воздух, 150 км/ч. Плюс надо учитывать, что больше всего прижимная сила нужна в поворотах, где скорость как раз таки падает. Антикрылья можно установить под некоторым углом атаки. Но угол этот можно менять в достаточно узком диапазоне, поскольку при больших углах атаки за крылом образуется вихревая зона и значительно возрастает лобовое сопротивление. Поэтому инженеры придумали изгибать профиль. В этом случае поток, разворачиваясь, движется по дуге с некоторым радиусом и в нем возникают центробежные силы, дополнительно прижимающие антикрыло. Но гнуть крылья тоже можно в определенных пределах, поскольку при большой кривизне за ними возникает зона разряжения, способствующая вихреобразованию. Если же антикрыло сделать составным, то в щели между планками будет проникать воздух. Это позволяет уменьшить разряжение и исключить вихри. У автомобилей классической схемы антикрыло устанавливается только сзади. Наверняка вы обращали внимание, что часто антикрылья на спортивных автомобилях расположены достаточно высоко и отнесены назад. Это обусловлено тем, что наилучшим образом крыло работает в чистом, невозмущенном, ламинарном потоке.
Говоря об антикрыльях, следует упомянуть про торцевые пластины. Место окончания антикрыла — его торцы — является источником вихрей, поскольку воздух, разрезаемый крылом имеет одну скорость, а воздух, не попавший на крыло – другую. При взаимодействии этих потоков, частицы газа начинают перемешиваться, что приводит к возникновению вихрей. Если же установить торцевые пластины, то эти потоки будут разделены.

Часто можно услышать мнение, что антикрыло и спойлер – это одно и то же. На самом деле, это совершенно разные аэродинамические элементы.
Антикрыло создает разность скоростей за счет того, что разделяет поток на две части, и эти две части потока проходят разные пути с разной скоростью.
Спойлер же изменяет направление потока, но не разделяет его. Он может создавать прижимную силу за счет использования динамической составляющей давления (вспоминаем пластинку, установленную под углом атаки).

Очень важным аспектом в создании прижимной силы является баланс — соотношение между прижимной силой, действующей на переднюю и заднюю оси. Можно добиться большой прижимной силы за счет большого диффузора и массивного антикрыла. Но оба эти элемента располагаются сзади, а значит и львиная доля полученной прижимной силы придется на заднюю ось. Если автомобиль заднеприводный да еще и заднемоторный, то это приведет к избыточной поворачиваемости и склонности к заносу. Если автомобиль переднеприводный, то это добавит ему стабильности в поворотах. И таких комбинаций множество. Поэтому баланс — это очень тонкое искусство. Иногда инженерам-конструкторам приходится даже специально уменьшать прижимную силу, а то и создавать подъемную, чтобы обеспечить наилучший баланс.

Подведем промежуточные итоги:
Автомобили “хотят летать”, и перед инженерами стоит непростая задача заставить их прилипать к дороге. Для этого поток воздуха под автомобилем всеми силами стараются ускорить и удержать в стабильном, ламинарном (безвихревом) состоянии. Над автомобилем поток ускоряется и без помощи конструкторов. Его нужно обуздать и заставить работать так, как надо, при помощи правильных обводов кузова, обтекателей, спойлеров и антикрыльев. В этой борьбе важна каждая мелочь, даже такая, как зеркало заднего вида. Аэродинамика – это своего рода искусство. Это не просто наука с сухими формулами, таблицами и графиками. За ними скрываются красивейшие процессы, которые человек издавна пытается понять и подчинить.

Вот красивое видео, которое показывает важность аэродинамики в современном автоспорте:

На этом в принципе хотелось бы закончить рассказ о подъемной и прижимной силах)

Вторая часть статьи находится ТУТ
Третья часть ЗДЕСЬ

Подписывайтесь! Будет интересно 🙂

У этого термина существуют и другие значения, см. Прижимная сила.

Прижимная сила — аэродинамическая сила, прижимающая автомобиль к дорожному покрытию^[1]. Эта сила улучшает сцепление покрышек автомобиля с дорогой и тем самым улучшает его манёвренность, торможение и разгон.

Роль в конструкции гоночных автомобилей[править | править код]

Для гоночных автомобилей с открытыми колёсами (включая Формулу 1), прижимная сила является одним из четырёх важнейших характеристик дизайна (наряду с мощностью двигателя, весом, и покрышками) по крайней мере с 1970-х годов^[2], самой важной по состоянию на начало XXI века^[3]. Известен случай, когда менее мощный 8-цилиндровый двигатель Cosworth DFV с конца 1960-х годов и до начала 1980-х крайне успешно конкурировал со значительно более мощными 12-цилиндровыми оппозитными двигателями просто потому, что V-образная, узкая внизу, форма двигателя DFV предоставляла бо́льшую свободу в конструировании днища автомобиля и обеспечивала более высокую прижимную силу с использованием эффекта земли^[4][5]. Осознание того, что прижимная сила как аэродинамическая характеристика важнее лобового сопротивления пришло постепенно в начале 1960-х годов. Хотя уже в 1956 году швейцарский инженер Майкл Мэй  (англ.) (рус. установил первое антикрыло на Порше 550, даже в начале 1960-х годов некоторые специалисты по аэродинамике подчёркивали, что самым важным для гоночного автомобиля является лобовое сопротивление^[3].

В течение 15 лет с середины 1960-х годов конструкторы сумели утроить прижимную силу, вынудив внести изменения в правила Формулы 1 для обеспечения безопасности^[6][3]. Период с 1978 по 1982 год характеризуется как «революция эффекта земли»^[5]. Команды, избравшие оппозитные двигатели почти метровой ширины, были вынуждены прибегать к отчаянным мерам. Именно тогда команда Брэбем построила знаменитый BT46B, в котором гигантский вентилятор, предназначенный якобы для охлаждения двигателя, на самом деле отсасывал воздух из-под днища, увеличивая прижимную силу (после одной — победной — гонки этот «пылесос» больше не использовался из-за опасного разбрасывания вентилятором мусора с поверхности трека). Команда Феррари, также избравшая оппозитные моторы, не верила в реальность эффекта земли, сконцентрировалась на усовершенствовании двигателя и шасси — и безнадёжно проигрывала вплоть до 1981 года, когда с приходом нового главного инженера курс был изменён^[5].

Необходимость поддержания постоянного зазора для использования эффекта земли была основной причиной перехода от алюминиевых к более жёстким углепластиковым корпусам (1980 год, команда Макларен)^[5].

В молодёжных формулах применение устройств для увеличения прижимной силы ограничено или вообще запрещено^[3].

Подобно самолёту, крылья болида с высокой прижимной силой теряют свою эффективность при попадании в спутную струю другого болида, потому пилоты жалуются на потерю прижимной силы и затруднённый обгон, что снижает зрелищность гонки. Высокая прижимная сила также сократила дистанцию остановки до десятков метров, что затрудняет обгон на торможении (англ. out-braking). С целью поддержания зрелищности и обеспечения безопасности по мере усовершенствования технологии Международная автомобильная федерация вынуждена модифицировать правила, чтобы уменьшить сцепление болидов с треком. Помимо модификации покрышек (что иногда практикуется), путь к этой цели лежит через ограничение прижимной силы (например, в 1998 году предельная ширина автомобилей Формулы 1 была уменьшена на 20 см, тем самым уменьшив площадь аэродинамических элементов). Специально созданная в 2007 году рабочая группа по обгону (англ. Overtaking Working Group, OWG) к 2009 году разработала новые правила, которые вновь снизили прижимную силу и позволили болидам сближаться с меньшим риском; в 2011 году для облегчения обгона на прямых было разрешено регулируемое заднее антикрыло, которое, используя подвижные элементы, позволило в момент обгона уменьшать лобовое сопротивление (и прижимную силу)^[3].

Устройства для повышения прижимной силы[править | править код]

Антикрыло[править | править код]

Принцип действия антикрыла аналогичен перевёрнутому крылу самолёта: при обтекании воздушным потоком крыло создаёт силу, но не подъёмную, а прижимную. В ранних конструкциях антикрылья располагались на стойках над центром автомобиля, современные болиды Формулы 1 имеют два антикрыла: переднее и заднее^{[источник не указан 1539 дней]}. Немногочисленные серийные автомобили с антикрылом используют заднее расположение на багажнике.

После неудачного эксперимента Мэя (его машину не допустили к гонкам) следующую попытку сделал через десять лет Джим Холл  (англ.) (рус.. Его Chaparral 2E CanAm  (англ.) (рус. с крылом, смонтированным на высоких подпорках, был немедленно скопирован другими командами. Высокое расположение антикрыла привело к ряду аварий и призывам запретить его использование, однако после консультаций с конструкторами крылья были сохранены, с существенными ограничениями. В течение 1970-х годов антикрылья распространились и на другие категории автомобилей^[3].

Поначалу антикрылья Формулы 1 были подвижными, с изменяемым углом атаки, но правила быстро запретили такую конфигурацию: все «аэродинамические» устройства должны оставаться неподвижными по отношению к корпусу^[3].

С началом применения турбонаддува мощности моторов резко возросли, и дополнительное сопротивление, вносимое антикрыльями, стало неважным. В эту эпоху (1980-е годы) антикрылья обросли дополнительными «крылышками» для увеличения прижимной силы^[3].

Юбка[править | править код]

Термин «юбка» в русском языке имеет два значения: так иногда называется передний спойлер (см. ниже), а также этим термином обозначаются гибкие свесы по сторонам корпуса, предназначенные отделения воздушного потока под днищем. Введённые командой «Лотус» в 1978 году гибкие скользящие юбки были успешны (в сочетании с профилирование днища для создания эффекта Вентури, см. ниже), но уже в 1981 году они были запрещены^[7], так как иногда отрывались и создавали опасность на треке.

Вентилятор[править | править код]

Дж. Холл применил юбки раньше, в 1970 году, в сочетании с вентиляторами для создания разрежения под днищем его Chapparal 2J. Эти устройства подпали под запрет о движущихся аэродинамических деталях, что и заставило Бребэм позже утверждать, что их вентилятор попросту охлаждает двигатель^[3].

Диффузор[править | править код]

Прорыв в области увеличения прижимной силы осуществила команда Лотус, сформировав днище болида по образцу сопла Вентури. Первая модель, Лотус 78, была не очень удачной, но уже в 1978 году следующий вариант, Лотус 79, достиг выдающихся успехов. Дизайн был быстро скопирован и улучшен в таких классических болидах как FW07 команды Уильямс и автомобилях других формул Ralt RT2/3/4. Серийные спортивные автомобили использовали широкие днища для создания прижимных сил, измерявшихся в тоннах. Однако правила были вновь изменены, и стали требовать плоского днища между осями^[3].

С завершением «турбо-эпохи» в 1989 году сопротивление, вносимое антикрыльями, опять стало заметным, конструкторы вновь обратились к днищу автомобиля и обнаружили, что при небольшом наклоне корпуса вперёд разрежение может быть достигнуто даже при плоском днище, но для этого воздух должен свободно выходить из-под корпуса в его задней части. Форма кузова, обеспечивающая расширение зазора между кузовом и покрытием в задней части автомобиля стала называться диффузором^[3].

Спойлер[править | править код]

Примечания[править | править код]

Литература[править | править код]

• McBeath, Simon. Competition car downforce: a practical guide. GT Foulis, 1998. 192 с. (англ.) ISBN 978-0854299775
• Agathangelou, Ben, Gascoyne, Mike. Aerodynamic Design Considerations of a Formula 1 Racing Car. SAE Paper No. 980399, Society of Automotive Engineers, Warrendael, PA, 1998.
• Simon McBeath. Historical Background // Competition Car Aerodynamics. — Veloce Publishing Ltd, 2017. — 320 p.  (англ.)
• Simon McBeath. Airdams, Splitters and Spoilers // Competition Car Aerodynamics. — Veloce Publishing Ltd, 2017. — 320 p.  (англ.)
• Zhang X., Toet W., Zerihan J. Ground effect aerodynamics of race cars (англ.) // Applied Mechanics Reviews. — 2006. — Vol. 59, no. 1. — P. 33—49.

Что такое скорость?

Скорость – это векторная физическая величина, которая характеризует быстроту перемещения тела относительно выбранной системы отсчёта.

Сейчас речь пойдёт о скорости автомобиля. Существует много способов изменить её, но мы рассмотрим именно изменение прижимной силой.

Что такое прижимная сила и что она делает?

Прижимная сила – аэродинамическая сила, прижимающая автомобиль к дорожному покрытию. Она повышает сцепление колёс автомобиля с дорогой, что улучшает манёвренность автомобиля, его торможение, а также разгон.

Как можно изменить прижимную силу?

Прижимную силу можно изменить несколькими способами:

1. С помощью граунд-эффекта
2. С помощью антикрыла
3. С помощью диффузора
4. С помощью спойлера

Разберём каждый из способов.

Граунд-эффект

Граунд-эффект – влияние близости подстилающей поверхности на аэродинамику движущегося автомобиля. В автоспорте он используется для создания области низкого давления между днищем автомобиля и поверхностью трассы.

Граунд-эффект зависит от величины зазора между днищем автомобиля и поверхностью трассы: чем больше этот зазор, тем меньше влияние граунд-эффекта и, как следствие, прижимной силы на автомобиль.

Антикрыло

Антикрыло – аэродинамическое приспособление для увеличения силы сцепления автомобиля с дорожным покрытием. Оно создает прижимную силу при отрицательном угле атаки (угол между направлением вектора скорости потока воздуха на тело потока и продольным направлением) благодаря изменению направления потока воздуха согласно Третьему закону Ньютона. Воздух направляется вверх, а антикрыло прижимается вниз.

Прижимная сила, созданная антикрылом увеличивает предельную силу трения между колесами и покрытием, что позволяет автомобилю переносить большие ускорения без заносов. Обычно ускорение при прохождении поворотов и торможении равно 1-1,1g, а с использованием антикрыла – 5g, т.к. прижимная сила в несколько раз превышает вес автомобиля.

Диффузор

Диффузор – часть обвеса автомобиля, преобразующая кинетическую энергию набегающего потока воздуха в повышение давления, обеспечивающая клиновидное расширение зазора под днищем автомобиля в его задней части.

Из-за взаимодействия потока воздуха с поверхностью дороги в расширяющемся просвете, под днищем автомобиля образуется разряжение, прижимающее автомобиль к покрытию. Это явление можно объяснить эффектом Вентури.

• Эффект Вентури: при протекании потока жидкости или газа через суженную часть трубы давление понижается.
• Из-за расширения просвета между днищем и покрытием к выходу и давлению воздуха на выходе, равного атмосферному, давление под днищем будет ниже атмосферного, т.е. пониженным

Спойлер

Спойлер – набор элементов автомобиля, изменяющий аэродинамические свойства кузова автомобиля, перенаправляя воздушные потоки для уменьшения сопротивления автомобиля и увеличения прижимной силы.

Существует два вида спойлеров – передний и задний.

1. Передний спойлер располагается на бампере автомобиля и отклоняет основной поток воздуха от днища, а также снижает сопротивление трения потока воздуха с днищем, из-за чего понижается давление под передней частью автомобиля, что увеличивает прижимную силу

2. Задний спойлер располагается на крышке багажника автомобиля и увеличивает давление воздуха над задней частью автомобиля, тем самым повышая прижимную силу и уменьшая сопротивление.

Сравнительная характеристика

Вывод

• Прижимная сила создается вследствие воздействия на кузов автомобиля потока воздуха, что улучшает сцепление колес автомобиля с дорожным покрытием, тем самым повышая его скорость. Следовательно, чем больше прижимная сила, тем больше скорость
• Существует несколько способов изменения прижимной силы. Из них только 1 её понижает, а остальные – повышают, т.е. только 1 способ уменьшает скорость, остальные – увеличивают