В автомобильном дизайне эффект земли — это ряд эффектов, которые использовались в автомобильной аэродинамике для создания прижимной силы , особенно в гоночных автомобилях. Это стало преемником более раннего доминирующего аэродинамического фокуса на обтекаемости . Международная серия Формулы-1 и американские гонки IndyCars используют эффекты земли в своей разработке и дизайне. Аналогичным образом, они также используются в некоторой степени и в других гоночных сериях; однако по всей Европе многие серии применяют правила (или полные запреты), чтобы ограничить их эффективность по соображениям безопасности.
В гоночных автомобилях целью конструктора является увеличение прижимной силы и сцепления для достижения более высоких скоростей на поворотах. Значительная величина прижимной силы доступна при понимании 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 типом эффекта земли). Конструкторы переключили свои усилия на понимание воздушного потока по периметру, юбкам кузова и нижней части автомобиля, чтобы увеличить прижимную силу с меньшим сопротивлением по сравнению с использованием 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 тянуться к земле. Это происходит из-за принципа 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 вместе это приводит к чистой силе, направленной вниз. Те же принципы применимы к автомобилям.
Принцип Бернулли — не единственный аспект механики в создании прижимной силы граунд-эффекта. Большая часть производительности граунд-эффекта достигается за счет использования вязкости . В примере с брезентом выше ни брезент, ни земля не движутся. Пограничный слой между двумя поверхностями замедляет воздух между ними, что уменьшает эффект Бернулли. Когда автомобиль движется по земле, пограничный слой на земле становится полезным. В системе отсчета автомобиля земля движется назад с некоторой скоростью. Когда земля движется, она тянет воздух над собой и заставляет его двигаться быстрее. [ сомнительно — обсудить ] Это усиливает эффект Бернулли и увеличивает прижимную силу. Это пример потока Куэтта .
Хотя подобные аэродинамические методы создания прижимной силы часто называют общим термином «эффект земли», строго говоря, они не являются результатом того же аэродинамического явления, что и эффект земли , который наблюдается у самолетов на очень малых высотах .
Американец Джим Холл разработал и построил свои автомобили Chaparral на основе принципов эффектов земли, став их пионером. Его автомобиль 1961 года пытался использовать метод профилированного днища, но у автомобиля было слишком много других аэродинамических проблем, чтобы он работал должным образом. Его автомобили 1966 года использовали драматически высокое крыло для своей прижимной силы. Его «автомобиль-присоска» Chaparral 2J 1970 года был революционным. У него было два вентилятора в задней части автомобиля, приводимых 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 не выиграл гонку, некоторые конкуренты лоббировали его запрет, который вступил в силу в конце того года. Подвижные аэродинамические устройства были запрещены в большинстве видов спорта. [1]
В 1968 году аргентинский конструктор и инженер Эриберто Пронелло разработал Pronello Huayra-Ford для категории Sport Prototipo Argentino [2] , впервые появившийся в Кордове в сезоне 1969 года с Карлосом Рётеманном и Карлосом Паскуалини в качестве водителей.
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 , продемонстрировав функциональность эффекта земли в этом масштабе. В 2023 году шасси Pronello Huayra #002 было приглашено на Goodwood Festival Of Speed . Во время своего пребывания в Англии автомобиль был доставлен в туннель Кейтсби , где аргентинский инженер и профессор Серхио Ринланд провел полный аэродинамический анализ .
«Мы всегда думали, что у него есть эффект земли... Когда Эриберто испытал его в Национальном университете Кордовы, он проверил его сопротивление воздуха с помощью модели в масштабе 1/5, которая была идеальной, без дверных и капотных отверстий, без воздухозаборных башен...» - сказал Ринланд. [3]
«Испытания, которые мы провели в туннеле Кейтсби, продемонстрировали его большую аэродинамическую эффективность: мы получили Cx 0,25 с коротким хвостом и Cx 0,23 с длинным хвостом, который он использовал на самых быстрых трассах. Почти, почти то, что Эриберто измерил в то время» [4]
« У него скользкая верхняя форма и плоский пол с диффузором , что дало ему довольно большое преимущество в свое время. Диффузор имеет коэффициент расширения, который ставит его ошеломляюще близко к максимальной прижимной силе, которую вы можете получить от диффузора. Автомобиль находился в туннеле с добавленными к нему прижимными лентами, чтобы посмотреть на распределение давления вокруг автомобиля, которое, похоже, полностью подтверждает, что он работает именно так, как ожидал дизайнер», - объяснил Виллем Тоет . Эти испытания проводились с «длинным хвостом», который использовался для высокоскоростных трасс, и без него, с транспортным средством, приводимым в движение собственными силами, при рабочей температуре, возвращая последовательные и повторяемые результаты. [5] [6]
Формула-1 стала следующим местом применения эффекта земли в гоночных автомобилях. Несколько проектов Формулы-1 были близки к решению с эффектом земли, которое в конечном итоге было 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 аэродинамической секции, чтобы очистить турбулентный поток воздуха между передними и задними колесами. Оба вскоре покинули команду, и идея не получила дальнейшего развития. Робин Херд из March Engineering , по предложению Райта, использовал похожую концепцию на болиде March Formula One 1970 года. В обоих автомобилях боковые понтоны были слишком далеко от земли для создания значительного эффекта земли, а идея герметизации пространства под секцией крыла к земле еще не была разработана. [1]
Примерно в то же время, в 1969 году, Шон Бакли начал свою работу в Калифорнийском университете в Беркли над аэродинамикой днища автомобиля, спонсируемой Колином Чепменом , основателем Формулы-1 Lotus . Ранее Бакли спроектировал первое высокое крыло, использовавшееся в IndyCar , «Bat Car» Джерри Эйсерта из Индианаполиса 500 1966 года . Правильно придав форму днищу автомобиля, можно было увеличить скорость воздуха там, снизив давление и притянув автомобиль к трассе. Его испытательные автомобили имели канал, похожий на трубку Вентури , под автомобилями, запечатанный гибкими боковыми юбками, которые отделяли канал от аэродинамики над автомобилем. Он исследовал, как разделение потока на канале нижней поверхности может зависеть от параметров всасывания пограничного слоя и расхождения поверхности днища. [7] [8] [9] Позже, будучи профессором машиностроения в Массачусетском технологическом институте , Бакли работал с Lotus, разрабатывая Lotus 78 .
С другой стороны, дизайнер Brabham Гордон Мюррей использовал воздухозаборники в передней части своего Brabham BT44 в 1974 году, чтобы исключить поток воздуха из-под транспортного средства. Обнаружив, что они имеют тенденцию изнашиваться при тангаже автомобиля, он разместил их дальше назад и обнаружил, что под автомобилем образуется небольшая область отрицательного давления, генерирующая полезное количество прижимной силы - около 70 кг (150 фунтов). McLaren изготовил похожие детали днища для своего проекта McLaren M23. [1]
В 1977 году Радд и Райт, теперь работающие в Lotus, разработали Lotus 78 «крыловидный автомобиль», основанный на концепции владельца и дизайнера Lotus Колина Чепмена . Его боковые понтон, громоздкие конструкции между передними и задними колесами, имели форму перевернутых аэродинамических профилей и были запечатаны гибкими «юбками» на земле. Конструкция радиаторов, встроенных в боковые понтон, была частично основана на конструкции самолета de Havilland Mosquito . [10] Команда выиграла пять гонок в том году и две в 1978 году, пока они разрабатывали значительно улучшенный Lotus 79. Самым заметным претендентом в 1978 году был Brabham - Alfa Romeo BT46B Fancar, разработанный Гордоном Мюрреем. Его вентилятор, вращающийся на горизонтальной продольной оси в задней части автомобиля, получал мощность от главной коробки передач. Автомобиль избежал спортивного запрета, заявив, что главной целью вентилятора было охлаждение двигателя, так как менее 50% воздушного потока использовалось для создания разрежения под автомобилем. Он участвовал в гонке только один раз, и Ники Лауда победил на Гран-при Швеции 1978 года . Преимущество автомобиля было доказано после того, как трасса стала маслянистой. В то время как другим автомобилям приходилось замедляться, Лауда смог разогнаться над маслом из-за огромной прижимной силы, которая росла с частотой вращения двигателя. [11] Также было замечено, что автомобиль приседает, когда двигатель набирает обороты на 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 гоночных серий, решила запретить «фан-кары» с почти мгновенным эффектом. [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, насколько велико преимущество этих автомобилей. В последующие годы другие команды копировали и улучшали Lotus, пока скорости на поворотах не стали опасно высокими, что привело к нескольким серьезным авариям в 1982 году ; плоские днища стали обязательными в 1983 году. [14]Часть опасности опоры на эффекты земли для поворота на высокой скорости заключается в возможности внезапного устранения этой силы; если нижняя часть автомобиля касается земли, поток слишком сильно ограничивается, что приводит к почти полной потере любых эффектов земли. Если это происходит в повороте, где водитель полагается на эту силу, чтобы оставаться на трассе, ее внезапное устранение может привести к тому, что автомобиль резко потеряет большую часть сцепления и соскользнет с трассы.
После сорокалетнего запрета граунд-эффект вернулся в Формулу-1 в 2022 году в соответствии с последними изменениями в правилах.
Эффект был использован в своей наиболее эффективной форме в конструкциях IndyCar . IndyCars не использовали эффект земли так же существенно, как Formula One. Например, у них не было использования юбок, чтобы изолировать днище автомобиля. IndyCars также ехали выше, чем болиды F1 с эффектом земли, и полагались на крылья для значительной прижимной силы, создавая эффективный баланс между прижимной силой над автомобилем и эффектом земли.
«Porpoising» — термин, обычно используемый для описания конкретной неисправности, встречающейся в гоночных автомобилях с эффектом земли. Гоночные автомобили использовали свои кузова для создания прижимной силы всего лишь чуть более десятилетия, когда автомобили Lotus 78 и 79 Колина Чепмена продемонстрировали , что эффект земли — это будущее в Формуле-1, поэтому на тот момент аэродинамика под машиной была еще очень плохо изучена. Чтобы усугубить эту проблему, команды, которые очень хотели заниматься эффектом земли, как правило, были более плохо финансируемыми британскими командами «garagista», у которых было мало денег на испытания в аэродинамической трубе, и которые, как правило, просто копировали идущие впереди Lotus (включая команды Kauhsen и Merzario ). [ необходима цитата ]
Это привело к появлению поколения автомобилей, которые проектировались как по наитию, так и на основе глубоких знаний о тонких деталях, что делало их чрезвычайно чувствительными к тангажу. Поскольку центр давления на боковые понтонные аэродинамические поверхности перемещался в зависимости от скорости автомобиля, его положения и дорожного просвета, эти силы взаимодействовали с системами подвески автомобиля, и автомобили начинали резонировать, особенно на малых скоростях, раскачиваясь вперед и назад — иногда довольно сильно. Известно, что некоторые водители жаловались на морскую болезнь. [ необходима цитата ] Это качательное движение, подобное тому, как дельфин ныряет в море и выныривает из него, когда плывет на скорости, дало этому явлению его название. Эти характеристики в сочетании с жесткой подвеской привели к тому, что автомобили обеспечивали крайне неприятную езду. Эффекты земли были в значительной степени запрещены в Формуле-1 в начале 1980-х годов до 2022 года, но спорткары Группы C и другие гоночные автомобили продолжали страдать от дельфинирования, пока лучшее знание эффектов земли не позволило конструкторам свести эту проблему к минимуму. [15] На первом предсезонном тесте в Барселоне перед чемпионатом мира Формулы-1 2022 года Джордж Рассел сказал, что экстремальное дельфинирование может привести к проблемам безопасности , а позже заявил, что страдает от боли в груди из-за экстремального дельфинирования во время Гран-при Эмилии-Романьи 2022 года . На Гран- при Азербайджана 2022 года Льюис Хэмилтон с трудом выбрался из машины после гонки из-за агрессивного дельфинирования. [16] [17]