В конструкции автомобилей эффект земли — это серия эффектов, которые используются в автомобильной аэродинамике для создания прижимной силы , особенно в гоночных автомобилях. Это стало преемником более раннего аэродинамического подхода к обтекаемости . Международная серия Формулы-1 и американские гоночные автомобили IndyCars используют эффекты грунта в своих разработках и конструкциях. Точно так же они в некоторой степени используются и в других гоночных сериях; однако по всей Европе во многих сериалах применяются правила (или полный запрет), ограничивающие их эффективность по соображениям безопасности.
В гоночных автомобилях целью конструкторов является увеличение прижимной силы и сцепления для достижения более высоких скоростей на поворотах. Значительная прижимная сила достигается за счет понимания того, что земля является частью рассматриваемой аэродинамической системы, отсюда и название «эффект земли». Начиная с середины 1960-х годов «крылья» регулярно использовались в конструкции гоночных автомобилей для увеличения прижимной силы (что не является разновидностью эффекта земли). Конструкторы сосредоточили свои усилия на понимании потока воздуха по периметру, юбкам кузова и нижней части автомобиля, чтобы увеличить прижимную силу с меньшим сопротивлением, чем при использовании крыла.
Этот вид эффекта земли легко проиллюстрировать, вынув брезент в ветреный день и поднеся его близко к земле: можно заметить, что, когда он достаточно близко к земле, брезент будет притягиваться к земле. Это связано с принципом Бернулли ; по мере того, как брезент приближается к земле, площадь поперечного сечения, доступная для воздуха, проходящего между ним и землей, уменьшается. Это заставляет воздух ускоряться, и в результате давление под брезентом падает, в то время как давление сверху остается неизменным, и в совокупности это приводит к возникновению чистой нисходящей силы. Те же принципы применимы и к автомобилям.
Принцип Бернулли — не единственный аспект механики в создании прижимной силы, создаваемой эффектом земли. Большая часть эффективности граунд-эффекта достигается за счет использования вязкости . В приведенном выше примере с брезентом ни брезент, ни земля не двигаются. Пограничный слой между двумя поверхностями замедляет движение воздуха между ними, что уменьшает эффект Бернулли. Когда автомобиль движется по земле, на помощь приходит пограничный слой на земле. В системе отсчета автомобиля земля движется назад с некоторой скоростью. Когда земля движется, она притягивает воздух над ней и заставляет его двигаться быстрее. [ сомнительно – обсудить ] Это усиливает эффект Бернулли и увеличивает прижимную силу. Это пример течения Куэтта .
Хотя такие аэродинамические методы, создающие прижимную силу, часто называют общим термином «эффект земли», строго говоря, они не являются результатом того же аэродинамического явления, что и эффект земли , который проявляется в самолетах на очень малых высотах .
Американец Джим Холл разработал и построил свои автомобили Chaparral на основе принципов эффекта земли, став их пионером. В его автомобиле 1961 года пытались использовать метод профилированной нижней части, но у автомобиля было слишком много других аэродинамических проблем, чтобы он работал должным образом. В его автомобилях 1966 года использовалось впечатляющее высокое крыло для увеличения прижимной силы. Его «присоска» Chaparral 2J 1970 года была революционной. У него было два вентилятора в задней части автомобиля, приводимые в движение специальным двухтактным двигателем; у него также были «юбки», которые оставляли лишь минимальный зазор между автомобилем и землей, чтобы изолировать полость от атмосферы. Хотя он и не выиграл гонку, некоторые участники соревнований лоббировали его запрет, который вступил в силу в конце того же года. Подвижные аэродинамические устройства были запрещены в большинстве видов спорта. [1]
В 1968 году аргентинский дизайнер и инженер Эриберто Пронелло разработал Pronello Huayra-Ford для категории Sport Prototipo Argentino [2] , впервые появившись в Кордове в сезоне 1969 года с Карлосом Ройтеманном и Карлосом Паскуалини в качестве пилотов.
В 1968 году была изготовлена модель в масштабе 1/5, которая была испытана в аэродинамической трубе Fábrica Militar de Aviones (FMA), обычно используемой ВВС Аргентины , демонстрируя функциональность эффекта земли в этом масштабе. В 2023 году шасси Pronello Huayra #002 было приглашено на Фестиваль скорости в Гудвуде . Во время пребывания в Англии автомобиль был доставлен в туннель Кейтсби , где аргентинский инженер и профессор Серхио Ринланд провел полный аэродинамический анализ .
«Мы всегда думали, что он имеет эффект земли... Когда Эриберто тестировал его в Национальном университете Кордовы, он проверил его сопротивление воздуху с помощью модели в масштабе 1/5, которая была идеальной, без дверных проемов и отверстий в капоте, без впускных турелей. - сказал Ринланд. [3]
«Испытания, которые мы провели в туннеле Кейтсби, продемонстрировали его высокую аэродинамическую эффективность: мы получили Cx 0,25 с коротким хвостом и Cx 0,23 с длинным хвостом, которые он использовал на самых быстрых трассах. Почти, почти то, что Эриберто измерил в то время» [4]
« У него скользкая верхняя часть и плоский пол с диффузором , который в свое время придавал ему большое преимущество. Диффузор имеет коэффициент расширения, который ошеломляюще близок к максимальной прижимной силе , которую можно получить от диффузора. Автомобиль находился в туннеле с прикрепленными к нему лентами для измерения давления, чтобы посмотреть на распределение давления вокруг автомобиля, которое должно полностью подтвердить, что оно работает именно так, как ожидал проектировщик», — объяснил Виллем Тоет . Эти испытания проводились с «длинным хвостом», который использовался на высокоскоростных трассах, и без него, на транспортном средстве, приводимом в движение собственными силами, при рабочей температуре, что давало последовательные и повторяемые результаты. [5] [6]
Формула-1 стала следующей площадкой для применения эффекта граунд-эффекта в гоночных автомобилях. Несколько проектов Формулы-1 были близки к решению с эффектом земного эффекта, которое в конечном итоге будет реализовано Lotus. В 1968 и 1969 годах Тони Радд и Питер Райт из British Racing Motors (BRM) экспериментировали на трассе и в аэродинамической трубе с длинными боковыми кофрами аэродинамических секций для очистки турбулентного воздушного потока между передними и задними колесами. Оба вскоре покинули команду, и идея не получила дальнейшего развития. Робин Херд из March Engineering по предложению Райта использовал аналогичную концепцию на мартовской машине Формулы-1 1970 года. В обеих машинах боковые подвески находились слишком далеко от земли, чтобы создать значительный эффект от земли, а идея уплотнения пространства под крылом с землей еще не была развита. [1]
Примерно в то же время Шон Бакли начал свою работу в 1969 году в Калифорнийском университете в Беркли над аэродинамикой ходовой части автомобиля, спонсируемую Колином Чепменом , основателем Формулы-1 Lotus . Бакли ранее спроектировал первое высокое крыло, использованное в IndyCar , «Bat Car» Джерри Эйсерта на гонке Indianapolis 500 1966 года . При правильной форме нижней части автомобиля скорость воздуха там можно было увеличить, снизив давление и вытянув машину на трассу. Его испытательные автомобили имели канал Вентури под автомобилями, закрытый гибкими боковыми юбками, которые отделяли канал от аэродинамики над автомобилем. Он исследовал, как на отрыв потока в подземном канале могут влиять параметры всасывания и расхождения пограничного слоя нижней поверхности. [7] [8] [9] Позже, будучи профессором машиностроения в Массачусетском технологическом институте , Бакли работал с Lotus над разработкой Lotus 78 .
С другой стороны, дизайнер Brabham Гордон Мюррей в 1974 году использовал воздушные заслонки в передней части своих Brabham BT44 , чтобы исключить попадание воздуха под автомобиль. Обнаружив, что они имеют тенденцию изнашиваться при качке автомобиля, он поместил их дальше назад и обнаружил, что под автомобилем образовалась небольшая область отрицательного давления, создающая полезную прижимную силу - около 70 кг (150 фунтов). . McLaren произвела аналогичные детали днища для своего дизайна McLaren M23. [1]
В 1977 году Радд и Райт, ныне работающие в Lotus, разработали «крылатый автомобиль» Lotus 78 , основанный на концепции владельца и дизайнера Lotus Колина Чепмена . Его боковые опоры, громоздкие конструкции между передними и задними колесами, имели форму перевернутых аэродинамических крыльев и прилегали к земле гибкими «юбками». Конструкция радиаторов, встроенных в боковые подвески, частично была основана на конструкции самолета de Havilland Mosquito . [10] Команда выиграла пять гонок в том году и две в 1978 году, разрабатывая значительно улучшенный Lotus 79 . Самым заметным претендентом в 1978 году был Brabham — Alfa Romeo BT46B Fancar, разработанный Гордоном Мюрреем. Его вентилятор, вращавшийся на горизонтальной продольной оси в задней части автомобиля, брал мощность от главного редуктора. Автомобиль избежал спортивного запрета, заявив, что основной целью вентилятора было охлаждение двигателя, поскольку менее 50% воздушного потока использовалось для создания разрежения под автомобилем. Он участвовал в гонках всего один раз: Ники Лауда выиграл Гран-при Швеции 1978 года . Преимущество машины было доказано после того, как трасса стала маслянистой. В то время как другим машинам приходилось снижать скорость, Лауда смог ускориться по маслу благодаря огромной прижимной силе, которая росла с увеличением оборотов двигателя. [11] Также было замечено, что автомобиль приседал, когда двигатель работал при остановке. [12] Владелец Brabham, Берни Экклстоун , который недавно стал президентом Ассоциации конструкторов Формулы-1 , достиг соглашения с другими командами об отзыве автомобиля после трех гонок. Однако Международная автомобильная федерация (FIA), руководящий орган Формулы-1 и многих других автоспортивных серий, решила практически немедленно запретить «фанатские автомобили». [13] Lotus 79, с другой стороны, выиграл шесть гонок и чемпионат мира для Марио Андретти и дал товарищу по команде Ронни Петерсону посмертное второе место, продемонстрировав, какое преимущество имели эти машины. В последующие годы другие команды копировали и улучшали Lotus, пока скорость на поворотах не стала опасно высокой, что привело к нескольким серьезным авариям в 1982 году ; плоские нижние части стали обязательными с 1983 года. [14]Частично опасность использования влияния земли при прохождении поворота на высоких скоростях заключается в возможности внезапного устранения этой силы; если нижняя часть автомобиля касается земли, поток слишком сильно сужается, что приводит к почти полной потере воздействия на землю. Если это происходит в повороте, где водитель полагается на эту силу, чтобы оставаться на трассе, ее внезапное удаление может привести к тому, что автомобиль резко потеряет большую часть своего сцепления с дорогой и вылетит за пределы трассы.
После сорокалетнего запрета граунд-эффект вернулся в Формулу-1 в 2022 году в соответствии с последними изменениями в правилах.
Эффект был использован в наиболее эффективной форме в дизайне IndyCar . В IndyCars эффект грунта не использовался так широко, как в Формуле-1. Например, им не хватало юбок для герметизации днища автомобиля. IndyCars также ездили выше, чем автомобили Формулы-1 с эффектом земли, и полагались на крылья для создания значительной прижимной силы, создавая эффективный баланс между прижимной силой автомобиля и эффектом земли.
«Морская свинья» — это термин, обычно используемый для описания конкретной неисправности, возникающей в гоночных автомобилях с эффектом заземления. Гоночные автомобили использовали свой кузов для создания прижимной силы всего лишь немногим более десяти лет, когда автомобили Lotus 78 и 79 Колина Чепмена продемонстрировали , что эффект заземления — это будущее в Формуле-1, поэтому на тот момент аэродинамика днища автомобиля все еще была очень сложной. мало понятный. Эта проблема усугублялась тем, что команды, которые очень стремились к использованию наземных эффектов, как правило, представляли собой плохо финансируемые британские команды «гарагистов», у которых было мало денег на испытания в аэродинамической трубе, и они имели тенденцию просто имитировать идущие впереди Lotus (включая команды Каусен и Мерцарио ). [ нужна цитата ]
Это привело к появлению поколения автомобилей, которые проектировались как на основе интуиции, так и на основе глубокого знания мелких деталей, что делало их чрезвычайно чувствительными к тангажу. Поскольку центр давления на крылья боковых опор перемещался в зависимости от скорости, положения и дорожного просвета автомобиля, эти силы взаимодействовали с системами подвески автомобиля, и автомобили начали резонировать, особенно на малых скоростях, раскачиваясь вперед и назад - иногда довольно яростно. Известно, что некоторые водители жаловались на морскую болезнь. [ нужна цитата ] Это покачивающееся движение, похожее на то, как дельфин ныряет в море и выходит из него, когда он плывет на скорости, и дало этому явлению свое название. Эти характеристики в сочетании с жесткой подвеской привели к тому, что езда автомобиля была крайне неприятной. Эффекты земли были в основном запрещены в Формуле-1 с начала 1980-х годов до 2022 года, но спортивные автомобили группы C и другие гоночные автомобили продолжали страдать от эффекта морской свиньи, пока лучшее знание эффектов земли не позволило дизайнерам минимизировать проблему. [15] На первых предсезонных тестах в Барселоне перед чемпионатом мира Формулы-1 2022 года Джордж Рассел сказал , что чрезмерное употребление морских свиней может привести к проблемам с безопасностью, а позже заявил, что страдает от боли в груди из-за чрезмерного употребления морских свиней во время Гранд Эмилии-Романьи 2022 года. Приз . На Гран-при Азербайджана 2022 года Льюис Хэмилтон изо всех сил пытался выйти из машины после гонки из-за жестокого нападения. [16] [17]