«Формула-1» в 2021-м: «граунд-эффект», работа со стилистами, ограничение телеметрии и бюджетов
В 2021 году в «Формуле-1» кардинально изменятся технические правила. Как будут выглядеть машины, что станет с обгонами и шинами? Официальный сайт чемпионата мира детально разобрал все грядущие нововведения.
Изначально регламент 2021 года хотели принять в июле этого года, но с целью более тщательной проработки каждого аспекта финализацию правил отложили на осень.
Новая версия регламента будет обнародована в октябре. Прежде, чем это произойдет, спортивный директор «Формулы-1» Росс Браун и главный технический директор «Формулы-1» Пэт Симондс вместе с техническим делегатом ФИА Николасом Томбасисом рассказали о четырех ключевых моментах новых правил, которые подлежат доработке.
1. Обгонять с новыми болидами должно быть проще
Аэродинамические поправки, внесенные в 2019 году, были приняты с целью уменьшения негативного эффекта регламента 2017 года, когда из-за сложных аэродинамических обвесов преследующий автомобиль терял за впередиидущим примерно 50% прижимной силы. Томбасис утверждает, что эффект, достигнутый в 2019 году, не идет ни в какое сравнение с тем, что мы увидим через два года, когда вернется «граунд-эффект», с которым большая часть прижимной силы болида будет генерироваться в задней части днищем машины.
«В условиях нынешнего регламента машина, находящаяся на расстоянии двух корпусов от идущей впереди, теряет до 50% прижимной силы. С новым болидом потери составят всего 5-10%», – говорит Томбасис. – «Таким образом, потери прижимной силы при преследовании болида сократятся значительно».
Это огромная разница. Еще одним побочным эффектом «грязного воздуха» является повышенная деградация шин из-за скольжения и проблем с охлаждением. Именно поэтому шины также являются ключевым фактором, который должен измениться к 2021 году, когда «Формула-1» перейдет с 13-дюймовой на 18-дюймовую резину.
«Мы проводим довольно глубокие консультации с «Пирелли» о выводе шин в рабочий температурный диапазон, который позволит реально бороться, не следить за их расходом и контролем над ними».
«Я думаю, что в последние два года мы спрашивали «Пирелли» о неправильных вещах», – добавляет Симондс. – «Повышенный износ – это неправильный путь развития».
— Однако, Симондс признает, что болельщики любят пит-стопы и они важны для «Формулы-1», поэтому «Пирелли» не стоит делать слишком прочную резину наподобие «шин для Ле-Мана, где они могут ехать и ехать».
– Есть предложение сделать «грелки» для шин вне закона с 2021 года.
2. Высокая конкуренция в пелотоне
На Гран-при Великобритании 2019 года, несомненно, произошло много интересных моментов, но если вспомнить квалификацию, где Валттери Боттас проехал круг быстрее Роберта Кубицы на три секунды, то становится страшно. Браун искренне полагает, что это слишком большой разрыв для спорта.
«На настоящий момент только три команды могут выигрывать гонки, вот и все», – говорит он. – «В течение следующих нескольких лет «Формула-1» станет лучше в этом плане. Действительно хорошая команда с умеренным финансированием сможет доставить немало хлопот. Это то, что мы хотим. Если в вашей команде Шарль Леклер или Макс Ферстаппен, то это должно иметь значение. В настоящее время это ничего не дает».
Часть плана по достижению цели – сделать более четкие аэродинамические правила, чтобы одна команда не обнаружила «серебряную пулю», которая позволяет им сокрушить противника. Браун больше других понимает, что многие инженеры будут, мягко сказать, не рады этому, но его главная цель – сделать «Формулу-1» лучше.
«Несомненно, команды будут недовольны ограничением творческой свободы, но если они смогут принять подход, согласно которому эти правила трактуются для всех одинаково, то они будут работать еще с большим усердием, чем кто-либо другой, понимая, что преимущество составляет не две секунды, а всего две десятых – это то, что мы хотим от «Формулы-1».
— Накануне октября оценят возможность лишить пилотов различных вспомогательных средств.
— Изучается возможность сокращения данных, полученных благодаря телеметрии.
— Пилоты должны играть гораздо более заметную роль в решении таких проблем, как перегрев и износ шин во время гонки, вместо того чтобы их гоночные инженеры говорили, что им делать.
3. Внешний вид болида должен вызывать восхищение и восторг
«Мы стремимся к тому, чтобы конечный продукт был эстетически приятным», – говорит Томбасис. – «Машина должна вызывать определенную страсть и вау-эффект».
Прототип болида 2021 года в этом плане шагнул вперед, но очевидно, что еще остаются моменты, которые требует улучшения.
«Переднее крыло нам все еще не совсем нравится, – говорит Томбасис. – «Как с аэродинамической, так и с эстетической точки зрения. Поэтому мы стремимся улучшиться в обоих аспектах. Есть веские причины того, почему переднее крыло стало таким огромным, но мы все понимаем, что это не самый лучший эстетический результат, поэтому работа над этим продолжается».
Впервые в истории «Формулы-1» ведутся консультации с простыми болельщиками.
«Этого раньше никогда не было», – говорит Браун. «Итак, понимание фанатов, что их заводит в «Формуле-1», а также общение с фанатами, которые перестали смотреть или не смотрят – почему они не смотрят, что останавливает? Так что болельщики играют большую роль в определении направления развития «Формулы-1».
— «ФИА» и «Формула-1» будут работать с автомобильными стилистами, чтобы воплотить их фантазии в реальность.
— Будут проанализированы трассы, которые принимают гонки «Формулы-1». Новая гонка во Вьетнаме станет первым испытанием «новой философии, которой должна придерживаться Формула-1». Считает Браун.
4. Финансово жизнеспособный чемпионат
ФИА и «Формула-1» не только стремятся добиться ограничения бюджетов и ужесточения финансовых правил на 2021 год, но и создания возможности командам с небольшим бюджетам участвовать в гонках.
Для экономии будут стандартизированы следующие детали:
— Запрет на гидравлические подвески,
— Ограничение на использование определенных экзотических материалов,
— Заморожено развитие коробки передач,
— Стандартизированное оборудование для всех команд.
Кроме того, для ограничения численности команд должны быть установлены средства контроля за расходами, чтобы большие команды не получили преимущества и в этом компоненте.
«Большие команды по-прежнему будут большими командами», – говорит Браун. – «Но при всей предельной выгоде, которую они получают, когда в проекте работает 10 человек вместо двух, что дает на 5% больше производительности – они больше этого не получат. Им не удастся работать эффективно сразу во всех областях. Придется чем-то жертвовать, что теоретически может стоить им победы в чемпионате».
— Было предложено, чтобы заработная плата пилотов и оклады небольшого числа ключевых сотрудников команд не были включены в этот ограниченный бюджет.
— Маркетинговая деятельность, вероятно, не будет ограничена потолком расходов, так как, по словам Брауна, «что хорошо для Формулы-1, то хорошо для всех».
Меня лично четвёртый пункт шокировал больше всего. Понимаете, что даже гайковерт у всех будет одинаковый! А чудо-тормоза? Это будут самые масштабные изменения за всю историю «Формулы-1».
Как относитесь вы к этому. Будете смотреть «Формулу-1» с 2021 года?
«Формулу-1» спасут от скуки сверхопасным эффектом. Даже придумали, как избежать жестких аварий
Зато обгонов и борьбы точно станет больше.
Современную «Формулу-1» нередко критикуют за паровозные гонки, отсутствие реальной борьбы на треке и малое количество обгонов вне зон DRS при относительно равных состояниях машин. То есть на самом деле какое-то противостояние в процессе гонки есть и в топ-6 пелотона, и в середине, но чаще всего все дуэли и сражения сводятся к стратегии: выбора лучшего момента для раннего пит-стопа (для виртуального обгона конкурента с помощью более высокого темпа на новых шинах), либо создания ситуации, когда к фазе борьбы на треке один гонщик обладает лучшей позицией для обороны, а другой – свежими и мягкими покрышками с большим сцеплением (как частный случай – прогретая и готовая к гонкам резина против холодной сразу после выезда с пит-лейн).
За пределами двух данных схем противостояния на треке происходят нечасто даже при видимом различии в уровне пилотажа между двумя соперниками. Гонщики легко могут догнать конкурента и висеть у него на хвосте в пределах 1-1,5 секунды 10-15 кругов подряд без единой попытки (и шанса) на атаку – особенно если автодром узкий и и без длинных зон торможений.
«Это насмешка над гонками». «Формулу-1» разнесли после провального Гран-при Франции
Если не учитывать лотереи на стартах и подарки в виде дождевых уик-эндов, то именно обстоятельства на треке, а не мастерство часто выходит на первый план – и лишь ошибки привносят в заезды перчинку и драму. К примеру, в 2019-м нам почти не приходилось обсуждать успешные маневры на треке в топ-3 – в основном хедлайнерами Гран-при становились спорное судейство, дикие фэйлы на пит-стопах, вопиющие провалы в стратегиях (в основном у «Феррари»), вылеты, редкие столкновения, поломки и редкие прорывы.
Безусловно, с подобным разнообразием событий нынешний сезон трудно назвать по-настоящему скучным, но современная «Формула-1» как никогда близка к постоянному соответствию изначально намеченным планам. И такие гонки в последние сезоны выходили максимально безликими и пустыми.
Виноваты хорошо проработанные болиды
По большей части нынешнее положение дел в самом деле связано с философией машин.
С 2017 года основное влияние на аэродинамические свойства и прижимную силу гоночных машин стали оказывать рассекатели, закрылки на корпусе и передние антикрылья с дефлекторами (детали между колесами и отверстиями по бокам для системы охлаждения). именно два последних элемента гонят самый чистый поток под днище, а возмущенный неактивными элементами и шинами воздух разрезается и перенаправляется по бокам и сверху от машины. Именно вокруг обработки потока на антикрыле и строится концепция вообще всех болидов современной «Формулы-1» (естественно, с разной степенью эффективности).
Однако в результате использования этой философии позади любой машины появляется очень много того самого «грязного воздуха» – турбулентных потоков, направленных в разные стороны и с разной скоростью. Переднее антикрыло и другие детали аэродинамического обвеса не могут их обработать, из-за чего у преследователя катастрофически падает прижимная сила – до половины всего количества на расстоянии в два корпуса от конкурента (около 10 метров).
Из-за этого гонщики просто не могут никого преследовать в быстрых и среднескоростных поворотах – их болиды просто соскальзывают с оптимальных траекторий под влиянием недостаточной поворачиваемости из-за нехватки сцепления. В итоге теряется много времени и перегреваются покрышки (а нынешняя резина «Пирелли» сделана таким образом, что при любом однократном повреждении процесс дальнейшего ее разрушения ускоряется сверх меры).
Также из-за «грязного воздуха» почти невозможно атаковать в зонах жесткого торможения перед шпильками – аэродинамический след от болида конкурента снимает примерно четверть эффективности замедления. Если у парня впереди еще не изношены шины, то чаще всего попытки выиграть торможение выглядят примерно вот так (второе видео в слайдере).
A post shared by FORMULA 1® (@f1) on Oct 28, 2019 at 4:21am PDT
А ведь атаковал один из главных мастеров современной «Формулы-1» по подобным обгонам Даниэль Риккардо!
В итоге без возможности висеть за конкурентом в быстрых поворотах или победить на торможении у преследователей на примерно одинаковых шинах практически не остается опций, за счет которых они могли бы вырваться вперед. Да, за исключением все того же DRS – да и то оно далеко не всегда помогает.
Сейчас лишь одна вещь способна компенсировать нехватку прижимной силы в быстрых поворотах и эффективности замедления у шпилек – это хорошее сцепление покрышек. Однако с ними тоже все сложно: если температуры в резине хоть немного не соответствуют узким рабочим окнам, то износ довольно быстро выходит из-под контроля. Когда же деградация шин начинает замедлять машину хотя бы на 0,1-0,2 секунды, то это верный признак потери способности резины компенсировать потери от грязного воздуха. Обогнать конкурента становится чрезвычайно сложно – только в случае внезапной ошибки.
В новом регламенте есть решение
Правила 2021 года выглядят настоящим переворотом: впервые в истории «Формулы-1» появятся потолок расходов, возможность делиться деталями между командами и совершенно новые подходы к конструированию машины (зоны легальности вместе с разными степенями допустимой креативности).
В «Формуле-1» революция: новые машины, много ограничений и потолок бюджетов. Все ради обгонов и сокращения затрат
Однако центральной идеей технического кодекса как раз стала борьба с «грязным воздухом». ФИА задекларировала максимальное упрощение переднего антикрыла и убрала главный генератор аэродинамического следа, вокруг которого, к примеру, выстраивались все последние болиды «Мерседеса».
Новые правила «Формулы-1» ударят сильнее всего именно по «Мерседесу». У нас есть техническое объяснение
Также под запрет попали и все элементы между колесами и входными отверстиями радиаторов. Еще командам запретят крепить бесконечные рассекатели куда ни попадя: остался по сути лишь один такой – над передними колесами для «причесывания» аэродинамического следа от покрышек.
Масштабная переработка принципов работы болида потребовала радикального решения по части компенсации прижимной силы. Поэтому главным нововведением стало возвращение граунд-эффекта – мощнейшей идеи, пришедшей в гонки в конце 70-х. Благодаря ему новое поколение болидов потеряет в сравнении с предшественниками всего 20 процентов прижимной силы. Да, скорость откатится к уровню 2016 года, но зато эффект «грязного воздуха» практически полностью сойдет на нет.
A post shared by FORMULA 1® (@f1) on Oct 31, 2019 at 10:24am PDT
Таким образом гонщики смогут преследовать друг друга сколько угодно и готовить больше одной атаки за десять кругов. Также регламент увеличил и упростил тормозные диски – в результате эффективность замедления снизится, тормозной путь вырастет, и ребята вроде Риккардо снова смогут обыгрывать конкурентов на позднем нажатии педали.
По идее паровозные гонки с редкими ключевыми пит-стопами отправятся в прошлое, а количество веселья на трассе вырастет в разы.
Что такое этот граунд-эффект?
Прижимную силу на болиде «Формулы-1» сперва вырабатывали только на передних и задних антикрыльях, однако вместе с повышением сцепления появлялся и неприятный побочный эффект – дополнительное лобовое сопротивление, снижавшее скорость на прямых.
Тогда главный новатор в истории гонок Колин Чепмен из «Лотуса» додумался до относительно простого, но по-настоящему гениального решения: генерировать прижимную силу с помощью разницы давлений. Для этого к нему на помощь пришел эффект Вентури.
В соответствии с ним при уменьшении площади сечения давление в более узком элементе растет и падает после выхода из него, а скорость потока жидкости или газа увеличивается за счет этой самой разницы давлений. Устройство, использующее этот эффект, назвали трубками Вентури.
Чепмен взял главный принцип работы системы и подогнал его под днище машины, создав внутри корпуса уполовиненные трубки Вентури. Нижней частью системы становился асфальт при движении.
Воздух пролетал через вон ту маленькую щель.
В чем главный принцип работы инновации? Если сделать срединный элемент достаточно узким и придумать способ максимального ускорения воздушного потока, то внизу конструкции у асфальта появляется эффект присасывания – его и назвали граунд-эффектом. Зона пониженного давления внизу машины заставляла воздух сверху машины (с более высоким давлением) действовать на болид и держать его на треке.
Для этого Чепмену потребовалось добавить прорезиненные юбки на боковые понтоны, опустив их границы почти до самого асфальта (чтобы воздух не рассеивался и не уменьшал скорость потока) и полностью поменять всю внутреннюю конструкцию, по сути превратив машину в одно большое крыло.
Понтоны в итоге практически касались асфальта.
Граунд-эффект поразил всех скоростью и опасностью
Повышение прижимной силы в несколько раз полностью изменило логику пилотажа в «Формуле-1» – теперь в поворотах можно было ехать намного быстрее. Правда, гонщики оказались неготовыми к такой опции: на первых порах у них не хватало физической подготовки для атаки в подобном режиме всю дистанцию, да и старые привычки трудно забывались.
До эры машин-крыльев у болидов был предел сцепления, за которым их срывало с трека – и задача пилотов заключалась в достижении предела, но без выхода за него. С граунд-эффектом все стало совсем по-другому: прижимная сила росла вместе со скоростью вплоть до другого (более дальнего) предела, но гонщику требовалось много уверенности в выбранной скорости. Она пришла далеко не сразу, однако уже в первом сезоне с «граунд-эффектом» «Лотус» выиграл 5 гонок и лишь из-за большого количества сходов не смог зарубиться с «Феррари» за Кубок конструкторов (второе место). Зато во втором сезоне машины Чепмена выиграли 8 Гран-при и оба титула – и личный, и командный.
После этого новинку скопировали все конкуренты – и обнаружили кучу недостатков. В первую очередь пилоты начали жаловаться на рост трудности пилотажа и даже кратковременные потери памяти: из-за повышения скорости в поворотах выросли и перегрузки, и гонщики оказались не готовы к подобному повороту.
Далее юбки по бокам машины оказались очень ненадежными: их первыми пробивало при большинстве аварий, контактах или вылете в гравий. Возвращаться к полной скорости даже после самого мелкого инцидента стало рискованно: потеря давления вызывала развороты и вылеты в самых быстрых зонах, а из-за роста скорости любые аварии стали намного опаснее.
Более того, центр трубки Вентури старались подвинуть как можно ближе к асфальту для максимизации граунд-эффекта, и тогда на жестких торможениях и разгонах, а также резких поворотах в быстрых виражах просвет между деталью и асфальтом резко менялся в зависимости от наклона, что вызывало аэродинамическую нестабильность и потерю управляемости. На самых резких торможениях или кочках центр трубки вообще соприкасался с асфальтом и вызывал аэродинамический ступор: вся прижимная сила в один момент резко пропадала, и машину срывало с трассы в случайном направлении.
В результате конструкторы попытались исправить ситуацию стабилизацией дорожного просвета путем максимального ужесточения подвески, но стало только хуже – на пилотов начали действовать еще и колоссальные вибрации, вызывавшие даже легкие сотрясения в в конце 70 кругов на полной скорости. Также в процессе развития идеи кокпит с пилотом сместили вперед, отдав человека на растерзание самым сильным ударам при лобовых авариях.
В итоге эпоха запомнилась смертями Ронни Петерсона, Патрика Депайе, Жиля Вильнева и Риккардо Палетти. ФИА просто не могла больше оставаться в стороне и в 1983-м включила запрещательную машину – трубки Вентури забанили полностью, а на его место пришло обязательное плоское днище. Правда, граунд-эффект остался, хоть и в крайне урезанном в виде – с диффузорами.
Вот как выглядит днище современного болида «Формулы-1».
Диффузор начинается на оси задних колес и частично воссоздает эффект Вентури из-за перепада дорожного просвета – но без граничных рассекателей уровень прижимной силы, генерируемый на нем, не идет ни в какое сравнение с тем, что было в начале 80-х.
В 2021-м пилоты снова будут в опасности?
Конечно же, нет. Создатели нового регламента учли опыт предыдущих лет и создали более безопасную конструкцию – без юбок.
Вот как выглядят возможные варианты днища на машинах будущего.
А вот как – сбоку. По сравнению с нынешними дорожный просвет почти не изменился.
Как же тогда будет работать эффект Вентури? За счет нескольких рассекателей, формирующих под днищем аналог юбок. Результирующий перепад ширины просвета выпадет как раз на диффузоры – только их станет по сути две штуки по обе стороны от центральной оси. Кстати, выходные отверстия закрепят не на шасси, а на тормозных воздуховодах – для стабилизации дорожного просвета без наращивания жесткости подвески.
В итоге между трубками Вентури и асфальтом окажется больший просвет, чем в 80-х, и половина факторов опасности останется в прошлом.
С другой стороны, на недавнем Гран-при США трек «Трассы Америк» неприятно поразил большинство гонщиков огромным количеством кочек – только в практиках они спровоцировали несколько инцидентов.
Покрытие трассы «Ф-1» в США отвратительно: кочки спровоцировали 4 разворота, вылет и аварию. Пилоты негодуют
Влияние подобных неровностей на машины 2021-го будет еще больше, ведь других мощных источников прижимной силы у техники больше не будет. В итоге для обеспечения безопасности ФИА придется более строго контролировать качество асфальта на автодромах – скорее всего, все закончится регулярной перекладкой покрытия на большинстве стационарных треков (к слову, это еще и снимет около 1-2 секунды со времен на круге).
Единственной проблемой останутся городские треки вроде Монако, Баку и грядущего Вьетнама – и если каждую кочку княжества пилоты изучили с самого детства, то на новых этапах любая неровность мигом привнесет немного опасности.
Небольшой риск будет в гонках всегда – какой бы продвинутой и совершенной ни была бы техника. Но даже на небольшое повышение возможности аварии в ФИА отметили масштабным повышением требования к крепости кокпитов и структур безопасности – не стоит бояться за гонщиков, степень угрозы в их работе не стала выше. Зато им точно понравятся новые возможности преследований и обгонов – скучно точно не будет.
Аэродинамика. Часть 1. Прижимная и подъемная силы.
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