Καταχωρήθηκε 18 January 2011 - 12:54 AM

Σημ.: Επειδή το κεφάλαιο αυτό σε πλήρη ανάλυση είναι τεράστιο (και ποιο δε είναι, θα μου πείτε) και ο χρόνος λίγος, μέρος των γραφομένων αποτελείται από αποσπάσματα σχετικού άρθρου μου, που είχα δημοσιεύσει στο παρελθόν σε τεχνολογικό έντυπο.

Η πρόσφυση, ο εχθρός της (η μάζα) και ο σύμμαχός της (η... ολίσθηση!)

Όσο και αν δεν θέλει να το παραδεχθεί ένας μηχανικός κινητήρων, την μερίδα του λέοντος στον χρόνο γύρου (μπορεί να αναφέρομαι σε μονοθέσιο της F1, αλλά οι αρχές αυτές ισχύουν γενικότερα στην αγωνιστική αυτοκίνηση) κατέχει η «χημεία του καουτσούκ». Απλά, επειδή το πόση ισχύς θα μετατραπεί σε ωφέλιμη ώση, εξαρτάται από την καλή σχέση μεταξύ της ασφάλτου και του πέλματος επαφής των τροχών, τουλάχιστον των πίσω, αφού οι εμπρόσθιοι έχουν αναλάβει τον δυσκολότερο ρόλο της κατεύθυνσης.

Ως γνωστόν, το όριο πρόσφυσης ενός ελαστικού πρέπει να είναι μικρότερο από το γινόμενο του συντελεστή τριβής και του φορτίου που επιβάλλεται εκείνη τη στιγμή (F < m . W). Αν υπερβεί αυτό το γινόμενο, η τριβή κύλισης μεταβάλλεται σε τριβή ολίσθησης.

Σημειωτέον, πως ο συντελεστής τριβής δεν αποτελεί «μονοπώλιο» της ασφάλτου, αλλά «δεσμό συγγένειας» μεταξύ εδάφους και ελαστικού όταν βρίσκονται σε επαφή. Εδώ υπάρχει και το «πονηρό» θέμα της ομοιοπολικής πρόσφυσης, που πρακτικά μεταφράζεται σε στιγμιαία «συγκόλληση» των μορίων ελαστικού του πέλματος επαφής με το ελαστικό που βρίσκεται στην επιφάνεια του δρόμου). Η πρόσθεση φορτίου θα μπορούσε να αυξήσει την πρόσφυση, αλλά είναι λογικό πως η πρόσφυση αυτή μειώνεται δραματικά αν το φορτίο αυξηθεί υπέρμετρα, και αυτό διότι το φορτίο συνοδεύεται από… την μάζα και το βάρος της, με τις παρενέργειες της αδράνειάς της, όχι μόνο στις επιταχύνσεις, αλλά και κατά την ανάπτυξη yaw, όταν το όχημα στρίβει.

Τα πράγματα θα ήταν απλούστερα αν απουσίαζε η μάζα και οι συνέπειές της όταν αυτή κινείται. Και αν η μάζα αποτελεί το «alter ego» της ενέργειας στον πραγματικό –όπως τον αντιλαμβανόμαστε- κόσμο μας, τι να πει κανείς για την αδράνειά της, που μας προκύπτει από έναν φανταστικό χώρο, αφού πρόκειται για μία… φανταστική δύναμη. Καλείται δύναμη D’ Alembert με «μέτρο» -m . g, εκ της συνθήκης ισορροπίας F + (-m . g)=0, και μας παρενοχλεί αντιστεκόμενη στη μεταβολή της κινητικής κατάστασης της μάζας, όταν αλλάζουμε το μέτρο και τη διεύθυνσή της. Δεν μπορούμε φυσικά να «παράγουμε» αδράνεια, μπορούμε όμως να παράγουμε κεντρομόλο επιτάχυνση εξ αιτίας της ίδιας της… πρόσφυσης, και το μόνο που μένει είναι να αντιμετωπίσουμε την αδράνεια που προκύπτει, και στην περίπτωση την καλούμε φυγόκεντρο, ως αντίδραση της κεντρομόλου.

Μπορούμε όμως να προσθέσουμε φορτίο στο μονοθέσιό μας, το οποίο στερείται... μάζας! Και αυτό τον ρόλο έχουν αναλάβει οι πτέρυγες (αυτός είναι ο ρόλος τους και κανείς άλλος, και μάλιστα η πλήρης απόδοσή τους είναι μόνο στις ευθείες). Το αεροδυναμικό τους φορτίο, που φθάνει ακόμη και τον 1,5 τόνο κατά την τελική ταχύτητά τους, στερείται μάζας (πρακτικά, ο αέρας δεν έχει υπολογίσιμη μάζα), ενώ δεν παράγεται ανθιστάμενο έργο, αφού το συνημίτονο της γωνίας εφαρμογής των 90° στο οριζόντιο έδαφος είναι μηδενικό (το παραγόμενο έργο αποτελεί το γινόμενο του αεροδυναμικού φορτίου επί το συνημίτονο της γωνίας εφαρμογής. Στην κατηφόρα, η γωνία αποκτά θετική τιμή παράγοντας ωφέλιμο έργο, ενώ στην ανηφόρα αποκτά αρνητική, παράγοντας ανθιστάμενο).

Το παράδοξο είναι πως, ενώ στις στροφές υψηλών ταχυτήτων το φορτίο αυτό είναι μεγάλο, ωστόσο δεν επαρκεί. Ο κίνδυνος απώλειας πρόσφυσης είναι μεγαλύτερος σε σχέση με τις αργότερες, στις οποίες το αεροδυναμικό φορτίο είναι μικρότερο! Ο λόγος είναι πως, επειδή το άθροισμα της διαμήκους και εγκάρσιας πρόσφυσης (η συνολική διαθέσιμη) είναι σταθερό, όσο αυξάνεται η διαμήκης, τόσο μειώνεται η εγκάρσια. Στις ανοικτές καμπές λοιπόν, έχουμε ελάχιστη εγκάρσια πρόσφυση. Εδώ τον κύριο λόγο έχουν το ground effect και ο διαχύτης, για να ισορροπήσουν τα πράγματα.

Ας γυρίσουμε στο πέλμα επαφής...

Αν μεταφερθούμε στο πέλμα επαφής του ελαστικού με τον δρόμο όταν βρίσκεται σε ευθύγραμμο, ομαλή πορεία, τότε μπορούμε να πούμε πως η ταχύτητα του πέλματος επαφής σε σχέση με τον δρόμο είναι μηδενική (όπως το κάτω μέρος της ερπύστριας ενός τανκ), αφού το διάνυσμα κατεύθυνσής του (προς τα πίσω) είναι ίσο και αντίθετο σε σχέση με το διάνυσμα κατεύθυνσης του τροχού (προς τα εμπρός).

Όταν στρίβει (π.χ. δεξιά ο εξωτερικός τροχός), θα παρατηρήσουμε πως η κεντρομόλος αναπτύσσεται στο σημείο του πέλματος που βρίσκεται πίσω από τον εγκάρσιο άξονα του τροχού (πνευματικό ίχνος). Το πίσω τμήμα του πέλματος επαφής στρίβει αντίθετα από την κατεύθυνση της στροφής, ενώ το εμπρόσθιο (γεωμετρικό ίχνος) προς το μέρος της, δημιουργώντας ένα ζεύγος δυνάμεων. Αν το πνευματικό ίχνος είναι μικρότερο του γεωμετρικού, η ροπή του εμπρόσθιου τμήματος είναι μεγαλύτερη του πίσω, ώστε η τελική συνισταμένη να κατευθύνεται προς τη στροφή (σημειωτέον πως δεν αναφέρομαι σε άλλες παραμέτρους όπως το camber και το offset, προς απλούστευση του θέματος).

Αν παρατηρήσουμε τον τροχό όταν στρίβει, θα συμπεράνουμε πως το πέλμα επαφής δεν έχει πλέον μηδενική ταχύτητα σε σχέση με τον δρόμο (ουσιαστικά ολισθαίνει), και μάλιστα, στον εξωτερικό τροχό έχει μεγαλύτερη ταχύτητα, σε σχέση με τον εσωτερικό (αφού διαγράφει μεγαλύτερη τροχιά). Αν δούμε το πέλμα επαφής σε σχέση με τον διαμήκη άξονα του εξωτερικού τροχού, θα διαπιστώσουμε πως το εξωτερικό τμήμα διαγράφει τροχιά μεγαλύτερη του εσωτερικού.

Αν παρατηρήσουμε προσεκτικότερα, θα δούμε πως δημιουργείται ένα ωφέλιμο ζεύγος δυνάμεων, ενώ, εξ αντιδράσεως του δρόμου λόγω τριβής, ένα ζεύγος αντιθέτων δυνάμεων. Μέλημά μας λοιπόν, είναι να μειώσουμε τις «αντιδραστικές» αυτές δυνάμεις, και αυτό επιτυγχάνεται αν το πέλμα αυξήσει την ταχύτητά του περισσότερο από τη στιγμιαία γωνιακή ταχύτητα του τροχού, δηλαδή αν… ολισθήσει ελαφρώς, ιδιαίτερα στο εξωτερικό τμήμα βοηθούντος του camber. Το θεωρητικό ποσοστό «πρόωσης» που θα χάσουμε, θα είναι λιγότερο από αυτό που θα κερδίσουμε με αυτό τον τρόπο.

Άλλωστε, η αύξηση του φορτίου (πάντα σε ωφέλιμο μέγεθος) θα δημιουργήσει την εξής βολική, για το απαραίτητο ποσοστό ολίσθησης, κατάσταση:

Η ελαστική περιφέρεια του τροχού παραμορφώνεται λόγω φόρτισης (μπορούμε να πούμε πως «συρρικνώνεται» σαν να αποκτά μικρότερη ακτίνα) στο κατώτερο τμήμα του. Αυτό σημαίνει πως το «κάτω» τμήμα του τροχού περιστρέφεται ταχύτερα από το επάνω (ένας τροχός μικρότερης διαμέτρου κυλά περισσότερες φορές σε σχέση με έναν μεγαλύτερης διαμέτρου στην ίδια ταχύτητα).

Ας παρακολουθήσουμε ένα μακρομόριο του πέλματος, το οποίο βρίσκεται μπροστά και αρχίζει να κατηφορίζει προς το πέλμα επαφής. Μόλις αρχίσει να μπαίνει στη «συρρικνωμένη» περιοχή αρχίζει να επιβραδύνεται, μέχρι να φθάσει στο εμπρόσθιο τμήμα του πέλματος επαφής. Εκεί συναντά ένα μέτωπο «συνωστισμένων» μακρομορίων, των οποίων η ταχύτητα έχει μηδενιστεί στιγμιαία, εξ αιτίας της αντίθετης δύναμης που αναπτύσσει η τριβή του οδοστρώματος. Από το σημείο αυτό και κατόπιν, όσο βρίσκεται εντός του υπολοίπου τμήματος του πέλματος επαφής, το μακρομόριο αυτό υφίσταται έντονο τανυσμό, σαν να μπαίνει σε έναν «ορίζοντα γεγονότων» μίας μαύρης τρύπας και να τεντώνεται από το παλιρροϊκό φαινόμενο! Ο λόγος, είναι πως πρέπει να επιταχυνθεί και να διασχίσει ταχύτατα το υπόλοιπο τμήμα του πέλματος, για να προφθάσει τα προηγούμενα μακρομόρια, που έχουν ήδη αρχίσει να «αναρριχώνται» προς το επάνω και πίσω μέρος της περιφέρειας, διαφορετικά θα σχισθεί από αυτά (στα «ξεσκισμένα» ελαστικά, αυτό ακριβώς συμβαίνει). Έτσι, κυριολεκτικά εκτοξεύεται –όπως το βέλος από το τόξο- προς τα πίσω, και για να το επιτύχει αυτό πρέπει να… ολισθήσει στιγμιαία, ελαττώνοντας ουσιαστικά την αντίθετη δύναμη τριβής που του επιβάλλεται από το οδόστρωμα! Με αυτόν τον τρόπο, το πίσω μέρος του πέλματος επαφής αποκτά στιγμιαία μεγαλύτερη ταχύτητα προς τα πίσω, αυξάνοντας πρόσθετα, μέσω της μικρής αυτής ολίσθησης, την ταχύτητά μας! Ιδού το μυστικό της σύνθετης πρόσφυσης!

Αυτό δεν συμβαίνει μόνο στη διαμήκη κύλιση του τροχού αλλά και κατά την εγκάρσια, όταν στρίβει, και μάλιστα σε μεγαλύτερο βαθμό στο μέρος του πέλματος που διαγράφει τη μεγαλύτερη τροχιά. Αυτή η συμπεριφορά των μακρομορίων απεικονίζεται οπτικά επάνω στο πέλμα του ελαστικού, σαν μία εγκάρσια κυματιστή γραμμή, αφού το πέλμα υφίσταται συνδυασμό διαμήκους και εγκάρσιου τανυσμού (μάλιστα, παρατηρώντας προσεκτικά το μέγεθος, την κατεύθυνση, την πυκνότητα και το «κατσάρωμα», ένας έμπειρος μπορεί με πρακτικό τρόπο να εξάγει συμπεράσματα για την υπο-υπερστροφή, την ολίσθηση, τη θερμοκρασία που αναπτύχθηκε και γενικώς την καταπόνηση που υπέστη το ελαστικό και το πώς οδηγήθηκε).

Αυτή η κατάσταση τανυσμού των μακρομορίων του πέλματος αυξάνει υπέρμετρα τη θερμοκρασία του, και αυτός είναι ο λόγος της θερμικής «κατάρρευσής» τους σε οριακές καταστάσεις, που φθάνει ακόμη και στην αποκόλληση τμημάτων του.

Το ωφέλιμο ποσοστό ολίσθησης (με συγκεκριμένη πίεση βέβαια) πρέπει να βρίσκεται περίπου ανάμεσα στο 8 έως 12%. Η αλλαγή κατεύθυνσης των τροχών πρέπει να βρίσκεται ανάμεσα στις 3 έως 6°, πριν η ανάπτυξη της γωνίας ολίσθησης οδηγήσει σε θερμική «κατάρρευση» του πέλματος. Ανεπαρκείς τιμές φαινομενικά για ένα τιμόνι, ιδιαίτερα σε φουρκέτες, αλλά με την κατάλληλη ανάπτυξη γωνιών ολίσθησης των πίσω τροχών (που επιταχύνουν το yaw-rate του εμπρόσθιου μέρους), υπάρχει θετικό αποτέλεσμα.

Η κατάσταση όμως στο πέλμα του εμπρόσθιου εσωτερικού τροχού είναι αρκετά οδυνηρή, και μάλλον ανεπιθύμητη (τουλάχιστον σε αγωνιστική χρήση), αφού διαγράφει τροχιά προς τα… πίσω, υφιστάμενος έναν «πόλεμο» αντίστασης της τριβής του οδοστρώματος, αντιθέτων δυνάμεων μεγαλύτερου μεγέθους σε σχέση με τον εξωτερικό, υπό καθεστώς μικρότερης, από την ωφέλιμη, φόρτισης. Οι στιγμιαίες εναλλαγές πρόσφυσης-ολίσθησης και υψίσυχνες ταλαντώσεις που δημιουργούνται «αποπροσανατολίζουν» το yaw, ενώ συχνά αναπτύσσεται θερμοκρασία πέλματος μεγαλύτερη του εξωτερικού τροχού!

Η λύση είναι να… απαλλαγούμε από το εσωτερικό τροχό και να αποκτήσουμε, στιγμιαία, ένα «τρίτροχο» όχημα, με την συμβιβαστική λύση της σκληρής αντιστρεπτικής ράβδου, η οποία θα τον «απογειώσει» στιγμιαία όταν αρχίζει το yaw (γι’ αυτόν τον λόγο χρησιμοποιείται μπροστά σκληρότερη αντιστρεπτική). Βέβαια, το φορτίο μεταφέρεται όλο στον εξωτερικό τροχό ξεπερνώντας τα ωφέλιμα όρια φόρτισης, με τον κίνδυνο της θερμικής «κατάρρευσής» του σε μικρότερη γωνία ολίσθησης. Μόνη λύση, η άμεση «εξουδετέρωση» της αρχικής υποστροφής στο yaw, με την ταχύτατη ανάπτυξη γωνίας ολίσθησης των πίσω τροχών, όπως ανέφερα προηγουμένως. Το ιδανικό (και το δύσκολο), ήταν να αναπτυχθεί τόση, όσο να μειωθεί ισόποσα η εμπρός για να περιπέσει το όχημα απλώς σε κατάσταση ελαφράς πλαγιολίσθησης και όχι υπέρμετρης υπερστροφής που θα ανάγκαζε τον οδηγό να εφαρμόσει ανάποδο τιμόνι και να μετατρέψει τον εξωτερικό εμπρός τροχό σε… εσωτερικό.

Ένα μακρύτερο μεταξόνιο συντείνει στη διαγώνια στρέβλωση του πλαισίου (εντονότερο warp) βοηθώντας στο στιγμιαίο ανασήκωμα του εμπρός εσωτερικού τροχού. Παράλληλα, ένα στενότερο πίσω μετατρόχιο μειώνει την γωνία ολίσθησης του εσωτερικού τροχού, βοηθώντας τον να μην χάσει την ελκτική του ικανότητα ακόμη και στις κλειστές στροφές. Εξ άλλου, η «τρίτροχη» επιλογή στις στροφές, εξασφαλίζει την σίγουρη επαφή και απαραίτητη ελκτική πρόσφυση των πίσω τροχών επί του εδάφους, αφού τρία σημεία ορίζουν ένα και μόνο επίπεδο!

Το θέμα γίνεται πολυσύνθετο αν εισάγουμε και άλλες παραμέτρους στο σύστημα, όπως σύγκλιση-απόκλιση, camber, anti-Ackerman, πιέσεις, offset, ροπή κινητήρα, σχέση μετάδοσης κ.λπ. αλλά ήδη έχω «πλατειάσει» κατά κόρον! Σας υπόσχομαι πως δεν θα το ξανακάνω, άλλωστε γράφω από τις 7:00 το πρωί και θέλω να γράψω και για BASIC…

Ορολογία

Yaw: Η οριζόντια περιστροφή του μονοθεσίου περί κάθετο άξονα, όταν αλλάζει κατεύθυνση στρίβοντας. Η ταχύτητά του κατά τη διάρκεια της στροφής δεν έχει σχέση με το yaw, το οποίο καθορίζεται μόνο «τοπογραφικά» (από τη σχέση του προσανατολισμού της διεύθυνσης μεταξύ των διανυσμάτων εισόδου και εξόδου), αλλά καθορίζει το βαθμό του yaw-rate, που αποτελεί το ρυθμό μεταβολής της διεύθυνσης του yaw ανά μονάδα χρόνου.

Warp: Διαγώνια στρέβλωση των άκρων του μονοθεσίου (π.χ. όταν κάθεται πίσω αριστερά και σηκώνεται εμπρός δεξιά). Warp «παράγεται» από το πλαίσιο, την ανάρτηση, αλλά και πλέον από τα… πλαϊνά των ελαστικών!

Roll: Εγκάρσια κλίση του μονοθεσίου κατά τις πλευρικές επιταχύνσεις στις στροφές.

Pitch: Αντίθετη μετατόπιση του μονοθεσίου ως προς τον εγκάρσιο άξονα (όταν επιβραδύνει σηκώνεται πίσω και χαμηλώνει μπροστά, και το αντίθετο όταν επιταχύνει).

Heave: Κάθετη μετατόπιση του μονοθεσίου (προς τα επάνω ή κάτω).

Καταχωρήθηκε 17 January 2010 - 03:02 AM

Πολύ κατατοπιστικό κείμενο!
Αν και λόγω Φυσικής είναι λίγο-πολύ γνωστά σ εμένα, δεν το είχα μελετήσει τόσο...
Η επιλογή ελαστικών στην F1 είναι δύσκολη υπόθεση, αλλά κάθε ομάδα έχει την δική της υποομάδα γι αυτό, έτσι δεν είναι?

Καταχωρήθηκε 17 January 2010 - 03:24 AM

Απολαυστικότατο και κατανοητό... διαβάζοντας το αλλάζεις τις εικόνες που έχεις στο μυαλό σου για τις λέξεις φρενάρω, στρίβω κλπ
Ωραίος ο Zoro!!!

Καταχωρήθηκε 17 January 2010 - 03:31 AM

Θα αλλάξεις ακόμη περισσότερο τις εικόνες, αν πας στο πλαίσιο, την γεωμετρία, την πέδηση, την αεροδυναμική. Θα τα δεις όλα με άλλη οπτική (γνωστική) γωνία. Αυτό που βλέπεις στην τηλεόραση δεν είναι τίποτα.

Καταχωρήθηκε 17 January 2010 - 03:49 AM

Όντως... αλλά δεν τα ακούς κάθε μέρα και κάθε φορά που τα διαβάζω είναι σαν να τα βλέπω για πρώτη φορά!!

Καταχωρήθηκε 17 January 2010 - 07:09 AM

Νομίζω πως μιλάμε για ένα πλήρες θέμα και ειλικρινά δεν περίμενα Δημήτρη να το κάνεις τόσο γρήγορα...Νομίζω πως τα συγχαρητήρια δεν φτάνουν εδώ και δεν ξέρω ποια λέξη να χρησιμοποιήσω..Πλήρες θέμα πραγματικά βγαλμένο από περιοδικό αγώνων με καθήλωσε στην καρέκλα μου να το διαβάζω σιγά σιγά για να μην χάσω την μαγεία...Τέτοια θέματα γραμμένα με τόσο όμορφο τρόπο αποτελούν κόσμημα για ένα φόρουμ που θέλει να είναι σοβαρό και να προσφέρει απλόχερα γνώσεις...πραγματικά νιώθω πολύ τυχερός που έχουμε εδώ μια ομάδα που φτιάχνει τόσο άριστα θέματα...Μπράβο Δημήτρη σε ευχαριστούμε πολύ για τον κόπο που έκανες πρώτα από όλα να κάτσεις παρά τις υποχρεώσεις που έχεις και να το φτιάξεις και κατα δεύτερον που το ανέβασες εδώ...+1 φίλε άξιος..

Μετά από 16 ώρες συνεχόμενης εργασίας νιώθω πραγματικά πολύ κουρασμένος...Αύριο το μεσημέρι θα επανέλθω εδώ να το συζητήσουμε το θέμα εις βάθος!

Θα ήθελα το θέμα σου να το δημοσιεύσουμε στο Another World που ετοιμάζεται πάντα με την άδειά σου βέβαια..