ایرودینامیک؛ نحوه و دلیل تولید داونفورس در بال خودرو

خودرو بانک/ در اولین بخش سری پست‌های فنی فرمول یک به سراغ بررسی ایرودینامیک خودروی فرمول یک و توضیح اصطلاحات و نحوه عملکرد اجزای آن خواهیم رفت. به دلیل زیاد بودن حجم مطالب، این مبحث در چند پست ارائه خواهد شد. در تعریفی ساده، ایرودینامیک، بررسی حرکت هوا در اطراف جسم در حال حرکت است. برای بررسی این مورد نیاز به توضیح فشار، قانون سوم نیوتون و جریان هوا داریم.

فشار: هوا متشکل از تعداد زیادی مولکول است. فشار را می‌توان تعداد این مولکول‌ها در حجم ثابتی از هوا در نظر گرفت. برای ساده‌تر شدن قضیه آن را در قالب مثالی مطرح می‌کنیم. شما وقتی بادکنکی را باد می‌کنید، در واقع دارید تعداد زیادی از مولکول‌های هوا را به داخل بادکنک می‌فرستید. اما چرا بادکنک باد می‌شود. این مولکول‌ها دائما در حال برخورد با یکدیگر هستند، به همین خاطر به طور متوالی به دیواره بادکنک برخورد می‌کنند و آن را در حالتی ثابت نگه می‌دارند. در این حالت چگالی، یعنی همان تعداد مولکول‌های هوا در حجمی ثابت، بسیار مهم خواهد بود. المان دیگری که در این قسمت اثرگذار است، دما می‌باشد. هر چقدر دمای یک مولکول بیشتر شود، انرژی آن بالاتر رفته و با سرعت بیشتری حرکت می‌کند. حال به سراغ بیرون بادکنک می‌رویم. در بیرون نیز مولکول‌های هوا وجود دارند اما به دلیل فشار بیشتر هوای داخل بادکنک، هوای بیرون باعث کوچک شدن آن نمی‌شود. به زبان ساده نیرویی که هوای داخل بادکنک به سطح داخلی آن وارد می‌کند بیشتر از نیرویی است که هوای خارج به سطح بیرونی اعمال می‌کند. حال اگر دهانه بادکنک را باز کنید هوای داخل آن به سرعت خارج خواهد شد. دلیل این مسئله اختلاف فشار هوای داخل و بیرون بادکنک است. هوای پر فشار داخل به سمت خارج بادکنک می‌رود و چون نیروی بیشتری از هوای کم فشار خارج دارد، اجازه ورود هوای کم فشار به داخل را نخواهد داد.

قانونی در جریان هوا به نام اثر ونچوری وجود دارد که بر طبق آن هرچقدر فضای حرکت هوا تنگ‌تر باشد، هوا با سرعت بیشتری در آن مسیر حرکت می‌کند. به همین دلیل است که شما برای بیشتر کردن سرعت آبی که از شلنگ بیرون می‌آید، انگشت خود را روی قسمتی از خروجی قرار می‌دهید. در واقع شما دارید فضای عبور آب را تنگ‌تر می‌کنید. طبق این توضیحات دریافتیم که هوای پر فشار به سمت هوای کم فشار حرکت می‌کند. در حقیقت این حرکت همان ایرودینامیک است.

قانون سوم نیوتون: هر عملی دارای عکس‌العملی یکسان در جهت مخالف است. اما این در دنیای واقعی به چه معناست؟ اگر شما به چیزی فشار بیاورید، آن چیز در عکس جهت فشار شما دقیقا همان مقدار فشار را به شما وارد می‌کند. اگر خودرویی به دیواره‌ای برخورد کند، دیواره دقیقا همان مقدار نیرویی که خودرو به آن منتقل کرده را به خودرو منتقل می‌کند. به نظر خیلی ساده می‌آید، اما بیایید اثر این قانون را در خودروی فرمول یک ببینیم. بال عقب خودروی فرمول یک هوا را به سمت بالا هدایت می‌کند. در واقع نیرویی به هوا در جهت بالا وارد می‌شود. طبق قانون سوم نیوتون، هوا نیرویی دقیقا برابر با همان را به بال وارد می‌کند. بدین ترتیب نیرویی به اسم داونفورس ایجاد می‌شود. این اسم بارها و بارها در مقالات و ویدئوهای مربوط به فرمول یک تکرار خواهد شد پس آن را بخاطر بسپارید. داونفورس نه تنها در خودروهای مسابقه‌ای، بلکه در خودروهای شهری نیز مهم است زیرا باعث چسبندگی بیشتر خودرو به سطح زمین شده و امکان داشتن سرعت بیشتر را می‌دهد. اما بال‌ خودرو چگونه این نیرو را به هوا اعمال می‌کند؟
ظاهر بال از زاویه کناری به صورت شکل زیر است. وقتی خودرو در حال حرکت است، هوا به صورت خطوط مستقیم به سمت بال در حرکت هستند. وقتی این هوا به بال برخورد می‌کند، قسمتی از آن به بالای بال و قسمتی از آن به زیر بال هدایت می‌شود. اما همانطور که در شکل می‌بینید هوای زیر بال به دلیل مسافت بیشتری که باید طی بکند و شکل زیر بال، فشرده می‌شود و طبق توضیحاتی که پیش‌تر دادیم این هوا با سرعت بیشتری حرکت خواهد کرد و به سمت عقب بال می‌رود.

پس هوای زیر بال دارای سرعت بیشتر نسبت به هوای بالای آن است. این مسئله باعث وجود فشار کمتر در زیر بال می‌شود. دلیل این مسئله این است که اگر مولکول‌های هوا را در نظر بگیرید، هنگامی که سرعت آن‌ها بیشتر می‌شود، فاصله هر مولکول با دیگری افزایش می‌یابد. پس تعداد مولکول کمتری در آن حجم خاص داریم. به همین دلیل فشار در این ناحیه کاهش می‌یابد.

طبق مثال بادکنکی که زدیم، می‌دانیم که هوای پر فشار به سمت هوای کم فشار میل به حرکت دارد پس هوای بالای بال، نیرویی به بال وارد می‌کند که از نیروی وارده هوای پایین بال بیشتر است. بدین ترتیب برایند این دو نیرو به سمت پایین خواهد بود و داونفورس ایجاد می‌شود.

به علاوه به جهت خارج شدن هوا از انتهای بال دقت کنید. این هوا رو به بالا هدایت شده پس طبق قانون سوم نیوتون نیرویی از سمت هوا به سمت پایین اعمال می‌شود.

تا به اینجا نحوه ایجاد داونفورس در بال‌های خودرو را متوجه شدیم. در مقالات بعدی به سراغ این خواهیم رفت که تا چه حدی می‌توان زاویه بال را تغییر داد تا داونفورس بیشتری تولید کنیم. به علاوه هنوز در مورد اینکه هوا چطور دور بال و بدنه خودرو حرکت می‌کند صحبتی نکرده‌ایم. همچنین با مفاهیمی همچون نیروی درگ، هوای کثیف و گردابه‌های هوایی آشنا خواهیم شد.