Прижимная сила — это направленная вниз подъемная сила, создаваемая аэродинамическими характеристиками транспортного средства. Если транспортное средство — автомобиль, цель прижимной силы — позволить автомобилю двигаться быстрее за счет увеличения вертикальной силы на шинах, тем самым создавая большее сцепление . Если транспортное средство — самолет с фиксированным крылом, цель прижимной силы на горизонтальном стабилизаторе — поддерживать продольную устойчивость и позволять пилоту управлять самолетом по тангажу.
Тот же принцип , который позволяет самолету отрываться от земли, создавая подъемную силу крыльями, используется в обратном порядке для приложения силы, которая прижимает гоночный автомобиль к поверхности трассы. Этот эффект называется «аэродинамическим сцеплением» и отличается от «механического сцепления», которое является функцией массы автомобиля, шин и подвески. Создание прижимной силы пассивными устройствами может быть достигнуто только за счет увеличения аэродинамического сопротивления (или трения ), и оптимальная настройка почти всегда является компромиссом между ними.
Аэродинамическая настройка автомобиля может значительно различаться в зависимости от гоночных трасс, в зависимости от длины прямых и типов поворотов. Поскольку это функция потока воздуха над и под автомобилем, прижимная сила увеличивается пропорционально квадрату скорости автомобиля и требует определенной минимальной скорости, чтобы произвести значительный эффект. Некоторые автомобили имеют довольно нестабильную аэродинамику, так что незначительное изменение угла атаки или высоты автомобиля может вызвать большие изменения прижимной силы. В самых худших случаях это может привести к тому, что автомобиль испытает подъемную силу, а не прижимную силу; например, при проезде через неровность на трассе или скольжении по гребню: это может иметь некоторые катастрофические последствия, такие как Mercedes-Benz CLR Марка Уэббера и Питера Дамбрека в 24 часах Ле-Мана 1999 года , который эффектно перевернулся после близкого следования за автомобилем конкурента через горб.
Для создания прижимной силы при движении автомобиля на гоночной скорости можно использовать два основных компонента:
В большинстве гоночных формул действует запрет на аэродинамические устройства, которые можно регулировать во время гонки, за исключением пит-стопов .
Прижимная сила, создаваемая крылом, обычно выражается как функция его коэффициента подъемной силы :
где:
В определенных диапазонах условий эксплуатации и когда крыло не находится в состоянии сваливания, коэффициент подъемной силы имеет постоянное значение: прижимная сила тогда пропорциональна квадрату скорости полета.
В аэродинамике в качестве опорной поверхности для определения коэффициента подъемной силы обычно используют проекцию крыла сверху.
Закругленная и сужающаяся форма верхней части автомобиля разработана для того, чтобы рассекать воздух и минимизировать сопротивление воздуха. [ необходима цитата ] Детализированные элементы кузова на верхней части автомобиля могут быть добавлены, чтобы позволить плавному потоку воздуха достигать элементов, создающих прижимную силу (например, крыльев или спойлеров, а также туннелей под кузовом). [ необходима цитата ]
Общая форма автомобиля напоминает крыло самолета. Почти все дорожные автомобили создают аэродинамическую подъемную силу в результате этой формы. [1] Существует много методов, которые используются для уравновешивания этой подъемной силы. Если посмотреть на профиль большинства дорожных автомобилей, то передний бампер имеет самый низкий дорожный просвет, за ним следует участок между передними и задними шинами, а затем следует задний бампер, обычно с самым высоким дорожным просветом. [ необходима цитата ] При использовании этой компоновки воздух, протекающий под передним бампером, будет ограничен до меньшей площади поперечного сечения и, таким образом, достигнет более низкого давления. [ необходима цитата ] Дополнительная прижимная сила исходит от наклона (или угла) кузова транспортного средства, который направляет воздух снизу вверх и создает нисходящую силу, увеличивая давление на верхнюю часть автомобиля, поскольку направление воздушного потока становится ближе к перпендикулярному поверхности. [ необходима цитата ]
Объем не влияет на давление воздуха, поскольку он не является замкнутым объемом, несмотря на распространенное заблуждение. [ необходима цитата ] Гоночные автомобили усиливают этот эффект, добавляя задний диффузор для ускорения воздуха под автомобилем перед диффузором и повышения давления воздуха за ним, уменьшая след автомобиля. [ необходима цитата ] Другие аэродинамические компоненты, которые можно найти на нижней стороне для улучшения прижимной силы и/или уменьшения сопротивления, включают в себя сплиттеры и вихревые генераторы. [ необходима цитата ]
Некоторые автомобили, такие как DeltaWing , не имеют крыльев и генерируют всю прижимную силу через свой кузов. [ необходима цитата ]
Величина прижимной силы, создаваемой крыльями или спойлерами автомобиля, зависит в первую очередь от трех факторов:
Большая площадь поверхности создает большую прижимную силу и большее сопротивление . Соотношение сторон — это ширина аэродинамического профиля, деленная на его хорду. Если крыло не прямоугольное, соотношение сторон записывается как AR=b 2 /s, где AR=соотношение сторон, b=размах и s=площадь крыла. Кроме того, больший угол атаки (или наклона) крыла или спойлера создает большую прижимную силу, которая оказывает большее давление на задние колеса и создает большее сопротивление.
Функция аэродинамических профилей в передней части автомобиля двойная. Они создают прижимную силу, которая улучшает сцепление передних шин, а также оптимизируют (или минимизируют помехи) поток воздуха к остальной части автомобиля. Передние крылья на автомобиле с открытыми колесами постоянно модифицируются по мере сбора данных от гонки к гонке и настраиваются под каждую характеристику конкретной трассы (см. верхние фотографии). В большинстве серий крылья даже рассчитаны на регулировку во время самой гонки, когда автомобиль обслуживается.
На поток воздуха сзади автомобиля влияют передние крылья, передние колеса, зеркала, шлем водителя, боковые струйки и выхлопная система. Это делает заднее крыло менее аэродинамически эффективным, чем переднее крыло. Тем не менее, поскольку оно должно генерировать более чем в два раза больше прижимной силы, чем передние крылья, чтобы поддерживать управляемость и баланс автомобиля, заднее крыло обычно имеет гораздо большее соотношение сторон и часто использует два или более элементов для объединения количества создаваемой прижимной силы (см. фото слева). Как и передние крылья, каждый из этих элементов часто можно отрегулировать во время обслуживания автомобиля, перед гонкой или даже во время нее, и они являются объектом постоянного внимания и модификации.
Частично из-за правил, направленных на снижение прижимной силы от передних и задних крыльев автомобилей F1, несколько команд пытались найти другие места для размещения крыльев. Небольшие крылья, установленные на задней части боковых понтонов автомобилей, начали появляться в середине 1994 года и были фактически стандартными для всех автомобилей F1 в той или иной форме, пока все такие устройства не были запрещены в 2009 году. Другие крылья появились в различных других местах автомобиля, но эти модификации обычно используются только на трассах, где прижимная сила больше всего нужна, особенно на извилистых гоночных трассах Венгрии и Монако.
McLaren Mercedes MP4/10 1995 года был одним из первых автомобилей, оснащенных «средним крылом», использовавшим лазейку в правилах для установки крыла поверх крышки двигателя. С тех пор эта конструкция использовалась каждой командой на стартовой решетке в то или иное время, а на Гран-при Монако 2007 года все, кроме двух команд, использовали их. Эти средние крылья не следует путать ни с камерами, установленными на обручах, которые каждая машина носит в стандартной комплектации во всех гонках, ни с регуляторами потока в форме бычьего рога, впервые использованными McLaren, а затем и BMW Sauber, чья основная функция заключается в сглаживании и перенаправлении воздушного потока для повышения эффективности заднего крыла, а не в создании прижимной силы.
Вариацией на эту тему были «X-крылья», высокие крылья, установленные на передней части боковых понтонов, которые использовали лазейку, похожую на промежуточные крылья. Впервые их применил Tyrrell в 1997 году, а в последний раз они использовались на Гран-при Сан-Марино 1998 года, к тому времени Ferrari, Sauber, Jordan и другие уже использовали такую конструкцию. Однако было решено, что их придется запретить ввиду помех, которые они создавали во время заправки, и риска, который они представляли для водителя в случае переворота автомобиля. [ необходима цитата ]
Время от времени пробовались и другие дополнительные крылья, но в настоящее время команды чаще стремятся улучшить характеристики передних и задних крыльев, используя различные регуляторы потока, такие как вышеупомянутые «рога-бублики», используемые McLaren.
