Сергей Сироткин: Анатомия машины Ф1: Аэродинамика

Формула 1 – технический вид спорта, где многое происходит за кадром. Но даже в тех случаях, когда элементы или системы машины видны невооружённым взглядом, понять принципы их работы без специальной подготовки порой непросто.

Мы попросили рассказать об этом резервного пилота Renault F1 и пилота программы SMP Racing Сергея Сироткина. Ведь Сергей – не только гонщик, но и без пяти минут инженер, специализирующийся именно на автомобилях – летом ему предстоит защитить диплом в МАДИ по специальности «Эксплуатация автомобильного транспорта». Любовь к технике всегда помогала Сироткину в основном виде деятельности, а теперь сослужит добрую службу и нам всем.

Надо сказать, что хотя конструкторы тщательно работают над каждым элементом в отдельности, машина Формулы 1 – это единое целое, и по-настоящему эффективной она может быть, только когда все её детали эффективны как сами по себе, так и во взаимодействии между собой. Они должны дополнять друг друга, используя сильные стороны каждого элемента, а не противодействовать, снижая тем самым общую эффективность машины. Найти этот баланс – самое сложное при создании машин Формулы 1.

Общая эффективность машины складывается из трёх ключевых составляющих:

1. Аэродинамическая эффективность
2. Механическая эффективность
3. Эффективность силовой установки и коробки передач

Сегодня мы поговорим об аэродинамической эффективности машины Формулы 1.

Аэродинамическая эффективность определяет общий уровень эффективности машины и зависит от множества факторов, как, например, от конструктивных решений, так и от тонкой оптимизации всех настроек. В общем виде то, к чему стремятся все конструкторы – это добиться максимально высокой прижимной силы при максимально низком аэродинамическом сопротивлении.

Приоритет имеет именно прижимная сила – поэтому аэродинамическое сопротивление машины Формулы 1 достаточно велико. Коэффициент аэродинамического сопротивления, так называемый показатель Cx, для машины Формулы 1 составляет 0,65-0,85 (в зависимости от настроек), в то время как даже для обычных дорожных машин сегодня этот показатель лежит в диапазоне 0,3-0,4, а у целого ряда машин опустился ниже 0,3.

Безусловно, первое, на что надо обратить внимание, когда мы говорим об аэродинамике Формулы 1, это такие элементы, как передние и заднее крылья, днище и диффузор, а также различные воздуховоды (например, S-duct, S-образный воздуховод в переднем обтекателе), форма боковых понтонов, все охлаждающие системы для тормозов и силовой установки. Именно эти элементы создают большую часть аэродинамического сопротивления, именно они генерируют прижимную силу. Тут применяется тот же принцип, о котором я говорил в начале – нужно добиться максимальной эффективности каждого из элементов так, чтобы общая эффективность их в сумме тоже оказалась максимальной.

Разберём элементы по порядку и начнём с переднего антикрыла. Это один из самых заметных элементов машины, именно он принимает на себя «первый удар» воздушного потока, так что от его эффективности в значительной степени зависит эффективность всей машины. Но, вопреки широко распространённому мнению, ключевая роль переднего антикрыла вовсе не в том, чтобы прижать переднюю часть машины к асфальту – само по себе оно создаёт лишь 15-18% прижимной силы.

Его главная задача – распределение воздушного потока вокруг автомобиля и под ним.

Очень важная задача переднего антикрыла – отвести воздушные потоки от колёс, так как в формулах они открытые, а также вращаются в противоположном направлении относительно воздушного потока, что создаёт огромное лобовое сопротивление и нарушает дальнейшее распределение воздуха.

Также один из ключевых моментов – получение и сохранение ламинарного (то есть стабильного, не турбулентного) потока в самых важных с точки зрения аэродинамики местах машины, таких, как, например, под днищем и диффузором, а также перед задним крылом. Собственно, это и есть одна из причин, почему современное переднее антикрыло в Формуле 1 имеет столько различных плоскостей, а сразу позади него расположено ещё множество небольших элеронов и других аэродинамических элементов.

Дальше поток наталкивается на боковые понтоны, которые все конструкторы пытаются сделать как можно меньше и при этом как можно сильнее сузить ближе к задней части, чтобы добиться наиболее стабильного ламинарного потока перед задним антикрылом.

Внутри самих понтонов и непосредственно над головой пилота расположены воздухозаборники для двигателя и систем охлаждения, в том числе радиаторов, имеющих значительное лобовое сопротивление. На расположение и форму таких воздухозаборников инженеры обращают большое внимание, стараясь найти компромисс между эффективным охлаждением элементов (в первую очередь тормозов и двигателя) и сопротивлением воздуха.

Прежде чем перейти к заднему антикрылу, стоит упомянуть новшество этого года: так называемые «плавники» и Т-образные крылья над верхним воздухозаборником. Их задача – «собрать вместе» воздушный поток, направив его на наиболее эффективные участки верхней части заднего антикрыла.

Говоря о самом заднем антикрыле, важно понимать, что в отличие от многих других аэродинамических элементов, приходящий к нему воздушный поток уже прошёл через остальные элементы автомобиля, так что добиться стабильности, ламинарности этого потока тут значительно труднее, чем где-либо ещё. Сделать это, однако, чрезвычайно важно, иначе антикрыло окажется неэффективным, а оно генерирует значительную долю прижимной силы в задней части машины Формулы 1.

Кроме того, заднее антикрыло должно быть оптимизировано как при открытой, так и при закрытой планке системы DRS. Это значит, что при открытии DRS лобовое сопротивление должно снижаться как можно сильнее, но при этом когда система закрыта, она не должна влиять на прижимную силу.

Ну и самый важный элемент с точки зрения общей аэродинамической эффективности – это система днище-диффузор. Именно она генерирует львиную долю всей прижимной силы машины Формулы 1 за счёт разницы в скорости потоков над и под машиной. Давление в более быстром потоке воздуха всегда ниже, чем в медленном. Задача инженеров команд Формулы 1 – создать максимальную разницу в скорости потоков под машиной и над ней, что приводит к разрежению воздуха под днищем. Таким образом, машина буквально «присасывается» к трассе – создаётся своего рода граунд-эффект, хотя и совсем другим способом, чем это делалось в начале 80-х годов.

Для того чтобы этого достичь, воздух загоняется под машину различными аэродинамическими устройствами, днище имеет специальный профиль, а задний диффузор конструируется так, чтобы отводить воздух от машины максимально быстро. Эффективность днища в большой степени зависит от его длины, а также высоты диффузора, что влияет на ускорение воздушного потока, проходящего под машиной. Но серьезный эффект на прижимную силу также оказывают клиренс, то есть расстояние, отделяющее нижнюю кромку днища от асфальта, и рейк (англ. Rake) – постоянный наклон машины вперёд или назад. Чем больше разница между клиренсом спереди и сзади, тем больше рейк.

Как правило, днище-диффузор эффективно работают в очень узком диапазоне настроек клиренса/рейка, поэтому положение машины в повороте под нагрузкой очень важно. Таким образом, механические настройки подвески, в частности жёсткость всех демпфирующих элементов, тоже оказывают значительный эффект на работу днища-диффузора и, как следствие, прижимную силу. Задача инженеров – сделать так, чтобы машина по ходу круга как можно большую часть времени находилась в оптимальном положении клиренса/рейка, сохраняя максимальную стабильность во время любых переменных нагрузок – на торможении, в быстрых поворотах, при преодолении поребриков, неровностей и так далее.

Другая трудность в том, чтобы найти наилучший компромисс при выставлении переднего и заднего клиренса, потому что оптимальный клиренс/рейк сильно зависит от скорости машины. То есть для медленных поворотов он должен иметь одно значение, для скоростных – другое, и всё это надо увязать с настройками подвески и жёсткостью всех демпфирующих элементов для достижения наилучшего механического сцепления и работы резины.

Если говорить о более тонкой оптимизации всех аэродинамических элементов, то в Формуле 1 активно применяется так называемая «аэроупругость», то есть изменение геометрии элемента под действием силы воздушного потока. Классический пример такой аэроупругости – гибкие антикрылья. Конечно, правила ограничивают их подвижность, она измеряется на каждом Гран При, но полностью лишить аэродинамические элементы упругости и гибкости невозможно, к тому же ограничения распространяются лишь на некоторые элементы, так что определённая свобода для инженеров и конструкторов тут всегда остаётся.

При помощи аэроупругости можно оптимизировать баланс машины для разных скоростей. Приведу простой пример: как правило, все машины в Формуле 1 страдают от недостаточной поворачиваемости в середине медленных и среднескоростных поворотов, но при этом имеют избыточную поворачиваемость на торможениях и в быстрых поворотах. Правильно применив эффект аэроупругости, мы можем добиться того, что угол атаки переднего антикрыла будет уменьшаться с ростом скорости, но останется неизменным в медленных поворотах под малой нагрузкой.

То есть, например, мы можем изначально установить его так, чтобы убрать недостаточную поворачиваемость в середине медленных и среднескоростных поворотов, но с ростом скорости антикрыло будет отгибаться настолько, насколько это необходимо, чтобы бороться с избыточной поворачиваемостью на более скоростных участках трассы. И этот принцип применим ко множеству элементов, так что вы можете представить, каковы возможности управления аэродинамическим балансом машины Формулы 1 при правильной оптимизации всех систем.

Когда мы уверены в том, что все аэродинамические элементы правильно подобраны и оптимизированы между собой, мы переходим к механическим настройкам. Они оказывают огромный эффект не только на положение машины под нагрузкой, что очень важно для правильной работы всех элементов, что мы так старательно увязывали в единый аэродинамический пакет, но и на распределение нагрузок в повороте и работу резины. Проблема в том, что оптимизация механических настроек машины для эффективной работы аэродинамики и для эффективной работы подвески почти противоположны. Об этом мы поговорим в следующем материале.

Сергей Сироткин, специально для F1News.Ru

Силы сопротивления — 📙 Физика

1. Определение силы трения
2. Разновидности силы трения
3. Силы трения при высоких скоростях перемещения тел

При перемещении любого тела в любой среде между поверхностями появляется сопротивление, именуемое силой трения.

Силы трения зависимы от вида соприкасающихся поверхностей или среды, скоростей их движения, реакций опоры. 2\) .

При движении тела высоко над землей, силы сопротивления зависят от плотности воздуха, скорости перемещения тела. При небольшой скорости движения силу трения определяют по формуле:
\(F=va\),
где \(v\) – скорость перемещения тела;
      \(a\) – коэффициент сопротивления воздуха.

Силы сопротивления бывают разных видов:

• сила трения качения \(P_f\). Зависит от вида и структуры поверхности опоры, скорости перемещения тела, давления окружающей среды и прочих факторов. Коэффициент сопротивления качению \(f \) зависим от типа и состояние поверхности опоры, и обратно пропорционален температуре и давлению.
• сила трения воздуха (лобовое сопротивление) \(P_вл\). Появляется из-за разности давлений. Этот показатель зависит от вихреобразований вокруг предмета движения, которые в свою очередь зависят от формы перемещающегося предмета.

Более значимо на сопротивление будет влиять перемещение передней части предмета. 2\over 2},\)

где \(c_x\) – коэффициент обтекаемости или лобового сопротивления;
      \(p\) – плотность среды;
     \(F_в\) – площадь лобового сопротивления (миделевого сечения).
Сила трения воздуха направлена противоположно вектору скорости перемещения тела. Ее рассматривают как сконцентрированную силу, приложенную к центру парусности тела, которая может не совпадать с центром его тяжести.

По второму закону ньютона сила сопротивления ускорению тела, совершающего поступательные движения, определяется так:

\(P_j=m {dv\over dt},\)

где \(m\) – масса объекта;
      \({dv\over dt}\) – ускорение центра масс.

При небольших скоростях перемещения тел силы сопротивления зависят от скорости такого перемещения, вязкости среды и размеров тела. А вот при высоких скоростях все обстоит немного по-другому.
В воздухе и воде законы вязкости в данном случае не дают полную картину. Даже при скорости в \(1 см/с\) эти законы действуют только для небольших тел. 2,\)где \(v\) – скорость перемещения тела;
       \(L\) – размеры тела;
       \(p\) – плотность среды.

Сколько формул используется для закона Ома?

Закон Ома состоит из 3 математических уравнений, которые показывают взаимосвязь между электрическим напряжением, током и сопротивлением.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на hamuniverse.com

Каковы 3 формулы закона Ома?

Для изучающих электронику закон Ома (E = IR) так же важен, как уравнение относительности Эйнштейна (E = mc²) для физиков. В расшифровке это означает напряжение = ток x сопротивление, или вольты = амперы x омы, или V = A x Ω.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на fluke.com

Сколько существует форм закона Ома?

Есть три формы закона Ома, которые относятся к напряжению, току и сопротивлению. Для постоянного тока ток определяется отношением напряжения на клеммах к сопротивлению резистора.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на Collegedunia.com

Что такое закон Ома и его формулы?

Закон Ома гласит, что напряжение или разность потенциалов между двумя точками прямо пропорциональны току или электричеству, проходящему через сопротивление, и прямо пропорциональны сопротивлению цепи. Формула закона Ома: V=IR.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на toppr.com

Какова формула мощности в законе Ома?

Уравнение для электрической мощности P=IV. Где P — электрическая мощность, I — ток, а V — напряжение. Если вы умножите мощность на время, это даст вам общую энергию, которая обычно указывается в киловатт-часах. Уравнение мощности и закон Ома можно объединить, чтобы получить P = V ^ 2 / R и P = I ^ 2R.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на сайте mometrix.com

Что такое закон Ома: определение, формулы, треугольник, демонстрация

Какова формула мощности в омах?

Мы можем рассчитать мощность (P) по закону Ома различными способами: Умножив напряжение на ток: P = V × I (наиболее распространенная формула для расчета мощности по закону Ома). Умножение сопротивления на квадрат тока: P = R × I².

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на omnicalculator.com

Какая еще форма закона Ома?

Эквивалентная форма закона Ома j=oE, где j — плотность тока, o = — где p — удельное сопротивление, а E — электрическое поле.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на toppr.com

Каковы электрические формулы?

Основные электрические формулы

• Вольт (E): Вольт = квадратный корень из (ватт x Ом) …
• Ом (R): Ом = вольт/ампер. …
• Вт (Вт): Вт = вольт²/Ом. …
• Ампер (I): Ампер = вольт/ом. …
• Формулы двигателя переменного тока: …
• Однофазный: …
• Трехфазный: …
• Формулы КПД и коэффициента мощности переменного тока:

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на flodraulic.com

Какие 3 формулы в физике?

Три уравнения:

• v = u + at.
• v² = u² + 2ас.
• с = ут + ½ат²

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на toppr.com

Что такое 3 формулы круга?

Что такое все формулы круга?

• Диаметр круга D = 2 × r.
• Длина окружности C = 2 × π × r.
• Площадь круга A = π × r ²

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на cuemath.com

Каковы три основные формулы физики?

Какие 3 формулы в физике? Это три уравнения: v = u + at. S = ut + 12at2; v2 = и2 + 2ас.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на рычаге.com

Сколько формул существует в электроэнергии?

Электрическая мощность определяется как P = VI, где V — разность потенциалов, I — электрический ток, а P — электрическая мощность.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на byjus.com

Сколько формул у силы?

Чтобы вычислить формулу расчета мощности, мы должны помнить три уравнения. Вот они: P (ватт) = V (вольт) x I (ампер) P (ватт) = I2 (ампер) x R (Ом)

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на vedantu. com

Сколько существует формул силы?

Есть одна формула мощности, называемая «законом Ома», по имени ученого, давшего эту формулу. Формула выглядит так: P = VI, и она приведена в главе книги, посвященной электричеству. В формуле P = VI, p обозначает мощность, V обозначает разность потенциалов, а I обозначает ток.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на vedantu.com

Является ли закон Ома алгеброй?

Теперь, прежде чем мы дойдем до этого момента, в большинстве книг будет представлен закон Ома, согласно которому V равно IR. Теперь это простое алгебраическое уравнение. Вы можете решить для I, если хотите рассчитать ток.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на mathtutordvd.com

Какие существуют 3 различных типа сопротивления?

Есть три типа сопротивления: логическое/рациональное, психологическое/эмоциональное и социологическое.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на hrjetpack.com

Какова единица закона Ома?

Единицей сопротивления в системе СИ является Ом (Ом), названная в честь Георга Ома. Если ток 1 А протекает через концы проводника, когда на двух концах поддерживается разность потенциалов 1 В, сопротивление проводника определяется как 1 Ом.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на vedantu.com

Кто открыл закон Ома?

Георг Симон Ом имел скромное происхождение и на протяжении большей части своей жизни боролся с финансами, но сегодня немецкий физик хорошо известен своей формулировкой закона, называемого законом Ома, описывающего математическую зависимость между электрическим током, сопротивлением и напряжением.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на сайте nationalmaglab. org

Какова формула тока?

Ток обычно обозначают символом I. Закон Ома связывает ток, протекающий по проводнику, с напряжением V и сопротивлением R; то есть V = IR. Альтернативное утверждение закона Ома: I = V/R.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на britannica.com

Каковы 3 формулы для электроэнергии?

Формула мощности

• P = E t.
• P = Вт т.
• П = В 2 Р.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на byjus.com

Какие три формулы для электричества?

Ответ, проверенный экспертом

• Формула мощности может быть записана с использованием переменных, а именно энергии, представленной E, напряжения, представленного V, тока, представленного I, времени, представленного t, и сопротивления, представленного R.
• Формула мощности с использованием силы тока а сопротивление — P = I²R.
• Формула мощности по току и напряжению — P = IV.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на brainly.in

Какие бывают 4 типа формул?

Обычно встречаются эмпирические, молекулярные, структурные и проекционные формулы. Эмпирическая формула состоит из символов, представляющих элементы в соединении, таких как Na для натрия и Cl для хлора, и нижних индексов, указывающих относительное количество атомов каждого составляющего элемента.

Запрос на удаление

| Посмотреть полный ответ на britannica.com

Какое уравнение в физике решить сложнее всего?

Тем не менее, только один набор уравнений считается настолько сложным с математической точки зрения, что он был выбран в качестве одной из семи «задач тысячелетия», за которые Математический институт Клэя присудил награду в 1 миллион долларов: уравнения Навье-Стокса, которые описывают, как текут жидкости.