ایرودینامیک؛ نحوه و دلیل تولید داونفورس در بال خودرو

خودرو بانک/ در اولين بخش سري پست‌هاي فني فرمول يک به سراغ بررسي ايروديناميک خودروي فرمول يک و توضيح اصطلاحات و نحوه عملکرد اجزاي آن خواهيم رفت. به دليل زياد بودن حجم مطالب، اين مبحث در چند پست ارائه خواهد شد. در تعريفي ساده، ايروديناميک، بررسي حرکت هوا در اطراف جسم در حال حرکت است. براي بررسي اين مورد نياز به توضيح فشار، قانون سوم نيوتون و جريان هوا داريم. فشار: هوا متشکل از تعداد زيادي مولکول است. فشار را مي‌توان تعداد اين مولکول‌ها در حجم ثابتي از هوا در نظر گرفت. براي ساده‌تر شدن قضيه آن را در قالب مثالي مطرح مي‌کنيم. شما وقتي بادکنکي را باد مي‌کنيد، در واقع داريد تعداد زيادي از مولکول‌هاي هوا را به داخل بادکنک مي‌فرستيد. اما چرا بادکنک باد مي‌شود. اين مولکول‌ها دائما در حال برخورد با يکديگر هستند، به همين خاطر به طور متوالي به ديواره بادکنک برخورد مي‌کنند و آن را در حالتي ثابت نگه مي‌دارند. در اين حالت چگالي، يعني همان تعداد مولکول‌هاي هوا در حجمي ثابت، بسيار مهم خواهد بود. المان ديگري که در اين قسمت اثرگذار است، دما مي‌باشد. هر چقدر دماي يک مولکول بيشتر شود، انرژي آن بالاتر رفته و با سرعت بيشتري حرکت مي‌کند. حال به سراغ بيرون بادکنک مي‌رويم. در بيرون نيز مولکول‌هاي هوا وجود دارند اما به دليل فشار بيشتر هواي داخل بادکنک، هواي بيرون باعث کوچک شدن آن نمي‌شود. به زبان ساده نيرويي که هواي داخل بادکنک به سطح داخلي آن وارد مي‌کند بيشتر از نيرويي است که هواي خارج به سطح بيروني اعمال مي‌کند. حال اگر دهانه بادکنک را باز کنيد هواي داخل آن به سرعت خارج خواهد شد. دليل اين مسئله اختلاف فشار هواي داخل و بيرون بادکنک است. هواي پر فشار داخل به سمت خارج بادکنک مي‌رود و چون نيروي بيشتري از هواي کم فشار خارج دارد، اجازه ورود هواي کم فشار به داخل را نخواهد داد. قانوني در جريان هوا به نام اثر ونچوري وجود دارد که بر طبق آن هرچقدر فضاي حرکت هوا تنگ‌تر باشد، هوا با سرعت بيشتري در آن مسير حرکت مي‌کند. به همين دليل است که شما براي بيشتر کردن سرعت آبي که از شلنگ بيرون مي‌آيد، انگشت خود را روي قسمتي از خروجي قرار مي‌دهيد. در واقع شما داريد فضاي عبور آب را تنگ‌تر مي‌کنيد. طبق اين توضيحات دريافتيم که هواي پر فشار به سمت هواي کم فشار حرکت مي‌کند. در حقيقت اين حرکت همان ايروديناميک است. قانون سوم نيوتون: هر عملي داراي عکس‌العملي يکسان در جهت مخالف است. اما اين در دنياي واقعي به چه معناست؟ اگر شما به چيزي فشار بياوريد، آن چيز در عکس جهت فشار شما دقيقا همان مقدار فشار را به شما وارد مي‌کند. اگر خودرويي به ديواره‌اي برخورد کند، ديواره دقيقا همان مقدار نيرويي که خودرو به آن منتقل کرده را به خودرو منتقل مي‌کند. به نظر خيلي ساده مي‌آيد، اما بياييد اثر اين قانون را در خودروي فرمول يک ببينيم. بال عقب خودروي فرمول يک هوا را به سمت بالا هدايت مي‌کند. در واقع نيرويي به هوا در جهت بالا وارد مي‌شود. طبق قانون سوم نيوتون، هوا نيرويي دقيقا برابر با همان را به بال وارد مي‌کند. بدين ترتيب نيرويي به اسم داونفورس ايجاد مي‌شود. اين اسم بارها و بارها در مقالات و ويدئوهاي مربوط به فرمول يک تکرار خواهد شد پس آن را بخاطر بسپاريد. داونفورس نه تنها در خودروهاي مسابقه‌اي، بلکه در خودروهاي شهري نيز مهم است زيرا باعث چسبندگي بيشتر خودرو به سطح زمين شده و امکان داشتن سرعت بيشتر را مي‌دهد. اما بال‌ خودرو چگونه اين نيرو را به هوا اعمال مي‌کند؟ ظاهر بال از زاويه کناري به صورت شکل زير است. وقتي خودرو در حال حرکت است، هوا به صورت خطوط مستقيم به سمت بال در حرکت هستند. وقتي اين هوا به بال برخورد مي‌کند، قسمتي از آن به بالاي بال و قسمتي از آن به زير بال هدايت مي‌شود. اما همانطور که در شکل مي‌بينيد هواي زير بال به دليل مسافت بيشتري که بايد طي بکند و شکل زير بال، فشرده مي‌شود و طبق توضيحاتي که پيش‌تر داديم اين هوا با سرعت بيشتري حرکت خواهد کرد و به سمت عقب بال مي‌رود. پس هواي زير بال داراي سرعت بيشتر نسبت به هواي بالاي آن است. اين مسئله باعث وجود فشار کمتر در زير بال مي‌شود. دليل اين مسئله اين است که اگر مولکول‌هاي هوا را در نظر بگيريد، هنگامي که سرعت آن‌ها بيشتر مي‌شود، فاصله هر مولکول با ديگري افزايش مي‌يابد. پس تعداد مولکول کمتري در آن حجم خاص داريم. به همين دليل فشار در اين ناحيه کاهش مي‌يابد. طبق مثال بادکنکي که زديم، مي‌دانيم که هواي پر فشار به سمت هواي کم فشار ميل به حرکت دارد پس هواي بالاي بال، نيرويي به بال وارد مي‌کند که از نيروي وارده هواي پايين بال بيشتر است. بدين ترتيب برايند اين دو نيرو به سمت پايين خواهد بود و داونفورس ايجاد مي‌شود. به علاوه به جهت خارج شدن هوا از انتهاي بال دقت کنيد. اين هوا رو به بالا هدايت شده پس طبق قانون سوم نيوتون نيرويي از سمت هوا به سمت پايين اعمال مي‌شود. تا به اينجا نحوه ايجاد داونفورس در بال‌هاي خودرو را متوجه شديم. در مقالات بعدي به سراغ اين خواهيم رفت که تا چه حدي مي‌توان زاويه بال را تغيير داد تا داونفورس بيشتري توليد کنيم. به علاوه هنوز در مورد اينکه هوا چطور دور بال و بدنه خودرو حرکت مي‌کند صحبتي نکرده‌ايم. همچنين با مفاهيمي همچون نيروي درگ، هواي کثيف و گردابه‌هاي هوايي آشنا خواهيم شد. #باهم_شکستش_مي‌دهيم ما را در کانال «آخرين خبر» دنبال کنيد