Καταχωρήθηκε 18 January 2011 - 12:54 AM

Το φορτηγάκι του υδραυλικού VS του μονοθεσίου του Schumacher

Ερώτηση: Τι κοινό έχουν το van που μεταφέρει τα εργαλεία του ο υδραυλικός της γειτονιάς σας, με ένα μονοθέσιο της F1;
Απάντηση: Τον ίδιο αεροδυναμικό συντελεστή!

Κι όμως, είναι αλήθεια! Στα τμήματα αεροδυναμικής των αγωνιστικών ομάδων έχουν ξοδευτεί χιλιάδες εργατώρες για να δημιουργηθούν μονοθέσια, των οποίων ο αεροδυναμικός συντελεστής... ανταγωνίζεται το transporter του γείτονα!
Κατ’ ουσίαν, οι αεροδυναμιστές μονοθεσίων ουδόλως ενδιαφέρονται για την αεροδυναμική τους, όπως την εννοούμε εμείς, αλλά μόνο πως θα την διαχειριστούν για να παράγουν ωφέλιμη δύναμη και να την «παραδώσουν» ως καθαρό (απαλλαγμένο από τις αδρανειακές συνέπειες της μάζας) φορτίο στα ελαστικά, που το χρειάζονται κυρίως στις ευθείες, στις ανοικτές στροφές (βλέπε στο άρθρο της πρόσφυσης) και στο φρενάρισμα από υψηλές ταχύτητες.
Κι επειδή όλα θα πρέπει να παραμένουν ποσοτικώς σταθερά στο ενεργειακό «ισοζύγιο» του κλειστού συστήματος [αέρας-μονοθέσιο] (σύμφωνα με τον νόμο διατήρησης της ενέργειας), οι αεροδυναμιστές έχουν ως κύριο εχθρό τους... σχεδιαστές κινητήρων, αφού τα αεροδυναμικά τους τεχνάσματα «απορροφούν» ενέργεια από την μονάδα παραγωγής ισχύος του μονοθεσίου, δηλαδή τον κινητήρα!
Ας πάρουμε τα πράγματα από την αρχή...


Όταν ένα αντικείμενο κινείται εντός ενός ρευστού (εν προκειμένω του αέρα), λέμε πως παρουσιάζει αντίσταση. Πως παράγεται αυτή η αντίσταση;
Στην πράξη, τα μόρια του αέρα δεν αλλάζουν την σχετική θέση τους (αναφορικά με τον διαμήκη άξονα του αντικειμένου) στον χώρο, απλά «παραμερίζουν» για να επιτρέψουν στο αντικείμενο να τα διασχίσει. Ας το δούμε και αλλιώς: Αν αντιστρέφαμε το πεδίο αναφοράς, και είχαμε ένα ακίνητο αντικείμενο εντός κινούμενου ρευστού, θα λέγαμε πως τα μόρια του αέρα παύουν να κινούνται σε ευθεία πορεία όταν έλθουν σε επαφή με την επιφάνεια του αντικειμένου, και καλούνται να διαγράψουν καμπύλη τροχιά (δηλαδή μεγαλύτερη απόσταση) μέσα στον ίδιο χρόνο, μέχρι να διασχίσουν όλη την επιφάνεια και να επανέλθουν στην ευθεία πορεία τους. Δηλαδή, αναγκάζονται να αυξήσουν την ταχύτητά τους, ήτοι να επιταχυνθούν. Όπως και να το δούμε, είτε ως εγκάρσια μετατόπιση, είτε ως επιτάχυνση, σημαίνει πως πρέπει να παραλάβουν ενέργεια από κάπου, και αυτή την «κλέβουν» από την κινητική ενέργεια του αντικειμένου. Αυτό το ενεργειακό ισόποσο, εκφράζεται ως αεροδυναμική αντίσταση, και το μέγεθός του εξαρτάται από την διαμόρφωση της επιφάνειάς του (αν δεν συνέβαινε αυτό, θα λέγαμε πως το αντικείμενο δεν προβάλει αεροδυναμική αντίσταση!). Αυτός είναι και ο λόγος που η μισή περίπου ισχύς του κινητήρα, καταναλώνεται για να κινηθεί ένα μονοθέσιο με την τελική του ταχύτητα! Και η απώλεια είναι τόσο μεγάλη, επειδή ένα μονοθέσιο, όπως είπαμε, είναι τόσο «αεροδυναμικό», όσο το φορτηγάκι του υδραυλικού μας.

Αν κάνουμε μια «ανάποδη» υπόθεση και σχεδιάσουμε ένα μονοθέσιο με χαμηλό αεροδυναμικό συντελεστή, τότε θα είχαμε ένα ασταθές όχημα! Όσο αεροδυναμικότερο είναι ένα σώμα, τόσο το κέντρο αεροδυναμικής πίεσης (ΚΑΠ) μεταφέρεται μπροστά, ακόμη και... μπροστά από αυτό. Ο λόγος ύπαρξης του κάθετου σταθερού πτερυγίου στην ουρά ενός αεροσκάφους, είναι πως μεταφέρει προς τα πίσω το ΚΑΠ, κάνοντάς το σταθερότερο (τα μαχητικά αεροσκάφη, για να είναι πιό ευέλικτα, είναι ουσιαστικά... ασταθή). Δεν θέλουμε λοιπόν, ένα πλήρως αεροδυναμικό μονοθέσιο, απλώς πρέπει να περιορίζουμε την μετωπική του επιφάνεια, για να έχουμε (όπως αναφέρθη παραπάνω) λιγότερη απώλεια ισχύος. Το ρόλο του σταθεροποιητικού κάθετου πτερυγίου ενός αεροσκάφους, τον έχουν οι κάθετες πλευρές του, οι κάθετες επιφάνειες εκατέρωθεν της πίσω πτέρυγας και η κάθετη απόληξη της εισαγωγής του αέρα στον κινητήρα. Όλες οι άλλες επιφάνειες, αποτελούν «επικουρικούς» διαμορφωτές της ροής του αέρα.


Αν αξιολογήσουμε την σημαντικότητα των αεροδυναμικών στοιχείων ενός μονοθεσίου, πρώτη θα κατατάξουμε την πρόσθια πτέρυγα, και κατόπιν τον διαχύτη (diffuser), ο οποίος συνεργάζεται απόλυτα με το κάτω μέρος της πίσω πτέρυγας, όπως θα δούμε παρακάτω.
Δεν θα αποτελούσε παράδοξο το ότι η πρόσθια πτέρυγα διαμορφώνει ουσιαστικά την όλη αεροδυναμική σχεδίαση του μονοθεσίου, αφού αυτή είναι η πρώτη που «υποδέχεται» τα καθαρά αερονημάτια, και καλείται να τα διοχετεύσει με ωφέλιμο τρόπο προς την υπόλοιπη επιφάνεια του οχήματος. Με βάση την παραδοχή πως η σημαντικότερη αρνητική άντωση παράγεται μπροστά και ακόμη περισσότερο κάτω από το μονοθέσιο, η πρόσθια πτέρυγα καλείται να παίξει πολλαπλό αεροδυναμικό ρόλο, αν συμπεριλάβουμε το ότι πρέπει να προ-επιταχύνει τον αέρα (ρίχνοντας αρχικά την πίεσή του) που διοχετεύει κάτω από δάπεδο, προς τον διαχύτη που βρίσκεται στο τέλος του, και πρόσθετη αποστολή να διατηρεί... ζεστά τα πρόσθια ελαστικά, να ψύχει τα πρόσθια φρένα, τα ψυγεία του κινητήρα και του κιβωτίου ταχυτήτων, καθώς και την ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου, που δουλεύει... υπερωρίες. Ας τα δούμε αναλυτικά...


Για να παραχθεί επαρκής αρνητική άντωση (την χρειαζόμαστε στις υψηλές ταχύτητες όπου ο κύκλος πρόσφυσης έχει μειωθεί δραματικά), πρέπει να αυξήσουμε την γωνία προσβολής των πτερύγων. Αυτό σημαίνει πως έτσι αυξάνουμε την πίεση στο επάνω μέρος του μονοθεσίου σε σχέση με το κάτω μέρος του, μέχρι να την φτάσουμε στα επιθυμητά επίπεδα. Κάναμε καλά; Όχι! Αντί να κάνουμε κάτι λειτουργικό, δημιουργήσαμε δύο... "αερόφρενα αεροσκάφους" εμπρός και πίσω, με τεράστια μετωπική επιφάνεια! Τι άλλο μπορούμε να κάνουμε λοιπόν; Αφού η επιθυμητή πίεση ισοδυναμεί με την διαφορά της πίεσης από πάνω σε σχέση με το κάτω μέρος, μπορούμε να κάνουμε το ανάποδο, δηλαδή, να ελαττώσουμε την πίεση από κάτω! Όση δεν μπορούμε να αφαιρέσουμε από κάτω, την προσθέτουμε ως πίεση από πάνω, δηλαδή από τις πτέρυγες. Σε αυτές λοιπόν, δίνουμε μόνο όση γωνία προσβολής χρειάζεται, για να παραχθεί η υπόλοιπη πίεση που δεν μπορούμε να παράγουμε από κάτω, και σταματάμε μέχρι εκεί, στον "συμπληρωματικό" τους ρόλο. Ούτως ή άλλως, έχουν μάζα, ενώ η παραγόμενη από τις πτέρυγες πίεση, έχει και μειονεκτήματα: Την μετωπική επιφάνεια, και την παρασιτική οπισθέλκουσα που παράγεται (χαοτική συμπεριφορά των αερονηματίων πίσω από την πτέρυγα, που έχει συνισταμένη δύναμη με φορά προς τα πίσω, αφαιρεί δηλαδή έργο από τον κινητήρα). Αντίθετα, κάτω από το μονοθέσιο, η ροή του αέρα είναι «καθαρή» και μόνον. Πως θα μπορέσουμε πρακτικά να μειώσουμε την πίεση από κάτω και να δημιουργήσουμε το λεγόμενο ground effect; Πρέπει να επιταχύνουμε την ροή της προς τα πίσω! Και για να το κάνουμε αυτό, πρέπει να επιτύχουμε δύο συνθήκες:

1) Να έχουμε αδιατάρακτη, ομαλή ροή κατά την είσοδο του αέρα από κάτω, ώστε να μην έχουμε μείωση της ταχύτητάς του (και αύξηση της πίεσής του).
2) Να βρούμε έναν τρόπο να επιταχύνουμε επιπλέον την έξοδό του, διαμορφώνοντας την περιοχή εξόδου του, ώστε να ενεργεί ως «απορροφητήρας» του αέρα που βρίσκεται καθ’ οδόν προς τα πίσω, αυξάνοντας την ταχύτητά του, και δημιουργώντας χώρο για "φρέσκο" αέρα στην είσοδο, ο οποίος δεν πρέπει να βρει εμπόδιο και να χάσει ταχύτητα, ανεβάζοντας την πίεσή του.

Το πρώτο, το αναλαμβάνει η πρόσθια πτέρυγα, και το δεύτερο ο διαχύτης, ο οποίος «ενεργοποιείται» από την υποπίεση που παράγεται στο... κάτω μέρος της πίσω πτέρυγας, εξ ου και η άρρηκτη συνεργασία τους. Κι εδώ, καλούνται οι τεχνικοί της μονάδας ισχύος-κιβωτίου, με την δύσκολη αποστολή να κατασκευάσουν όσο το δυνατόν, μικρότερο συγκρότημα δίσκων-πλατό και κέλυφος κιβωτίου ταχυτήτων, και να μείνει ελεύθερος χώρος για έναν αποτελεσματικό διαχύτη. Άλλωστε, έχουμε παρατηρήσει πως οι τεχνικοί δεν επεμβαίνουν ποτέ κατά την διάρκεια ενός αγώνα, στην γωνία προσβολής της πίσω πτέρυγας, για να μην διαταράξουν την συνεργασία της με τον διαχύτη.


Πάμε στην πρόσθια πτέρυγα, και τον αεροδυναμικό της ρόλο...
Πρώτος σκοπός της, είναι να προ-επιταχύνει τον αέρα (ρίχνοντας αρχικά την πίεσή του) και να τον διοχετεύσει προς τα κάτω. Το κεντρικό της μέρος είναι κατάλληλα διαμορφωμένο, ώστε τα αερονημάτια να περάσουν αδιατάρακτα από κει και να κατευθυνθούν προς την καρίνα του μονοθεσίου, το σχήμα της οποίας καθορίζει την μετέπειτα πορεία τους. Οι επιφάνειες εκατέρωθεν του κέντρου, παράγουν όση αρνητική πίεση έχει καθορισθεί από το set-up για τους πρόσθιους τροχούς, ενώ οι απώτερες απολήξεις της, οδηγούν μέρος του αέρα προς τις χοάνες των αεραγωγών των φρένων, και προς τα ψυγεία που βρίσκονται πιό πίσω. Τέλος, τα εκατέρωθεν κάθετα σταθερά, οδηγούν τον αέρα γύρω από τα ελαστικά, διατηρώντας την θερμοκρασία τους στα επιθυμητά επίπεδα κατά τις ευθείες. Στο εσωτερικό τους, βρίσκεται ενίοτε ποσότητας μάζας (συνήθως απεμπλουτισμένο ουράνιο), ώστε να επιτευχθεί επιθυμητή πολική ροπή αδρανείας μπροστά, για σταθεροποίηση του μονοθεσίου κατά την διάρκεια του yaw (βλέπε στο άρθρο της πρόσφυσης).


Ο ρόλος της πίσω πτέρυγας είναι να συμβάλει και αυτή στο ανεπαρκές ground effect, παράγοντας στο πάνω μέρος της όση επιπλέον αρνητική άντωση χρειάζεται για τα πίσω ελαστικά, να δημιουργεί από κάτω όση υποπίεση χρειάζεται ο διαχύτης για να ενεργοποιηθεί, και για να... εμποδίζει τον αντίπαλο να πλησιάσει το μονοθέσιο! Σε αυτή την περιοχή, η χαοτική συμπεριφορά των αερονηματίων δημιουργεί μία περιοχή ασταθούς και χαμηλής πίεσης, ακατάλληλης για την πρόσθια πτέρυγα του αντιπάλου. Όσο τα μονοθέσια κινούνται στην ευθεία, ο ακολουθών μπορεί να βρεθεί –όσο του επιτρέπει ο κύκλος πρόσφυσης των πρόσθιων ελαστικών του μονοθεσίου του- εντός της περιοχής αυτής, εκμεταλλευόμενος την χαμηλή πίεση που επικρατεί εκεί και να αυξήσει την ταχύτητά του, έστω και αν δεν έχει επαρκή οδηγησιμότητα (αναποτελεσματική πρόσθια πτέρυγα και μειωμένο ground effect), καθώς και ανεπαρκή ψύξη. Αλλοίμονό του όμως, αν δεν βγει έγκαιρα από κει, όταν αρχίσει το φρενάρισμα. Η πρόσθια πτέρυγα πρέπει να βρεθεί σε καθαρό ρεύμα αέρα για να κάνει όλη την δουλειά που αναφέραμε προηγουμένως, ενώ θα βρεθεί με φρένα που δεν ψύχονται! Το αποτέλεσμα είναι γνωστό: Δεν θα στρίψει!


Σημ.: Το θέμα της πρόσθιας γεωμετρίας και η συνεργασία της με τα ελαστικά, όπου εκεί παίζεται όλο το παιχνίδι, αποτελεί ένα σημαντικότατο κεφάλαιο, που θα αναλυθεί σε επόμενο άρθρο, για το πως στρίβει ένα μονοθέσιο.

Καταχωρήθηκε 07 February 2010 - 04:48 AM

Εμ τώρα που τα έκανες λιανά όλα τα κατάλαβα βρε παιδάκι μου... στουπόχαρτου τα πήρα!!!Καταπληκτικό και ευκολονόητο!!! Μέχρι τώρα είχα διαβάσει πιο πολλά για την αεροδυναμική των αεροσκαφών... δεν έχουμε πολλές διαφορές ... το ένα το θέλουμε στον αέρα και το άλλο στο έδαφός!
Καταπληκτικό και ευκολονόητο!!! Μέχρι τώρα είχα διαβάσει πιο πολλά για την αεροδυναμική των αεροσκαφών... δεν έχουμε πολλές διαφορές ... το ένα το θέλουμε στον αέρα και το άλλο στο έδαφός!

Καταχωρήθηκε 07 February 2010 - 08:48 AM

zoro φίλε μου μας έβαλες φωτιά με τα μοναδικά σου κείμενα...Ένα μεγάλο μπράβο δεν φτάνει...Ποιο αναλυτική παρουσίαση δεν γίνεται..Τώρα θα ήθελα να σε ρωτήσω..Αφού στα μονοθέσια παίζει μεγάλο ρόλο η αεροδυναμική τότε γιατί επιμένουν οι κατασκευαστές να διατηρούν στα οχήματά τους τον χειρότερο αεροδυναμικό συντελεστή που υπάρχει σε όχημα? 0,33 νομίζω.

Καταχωρήθηκε 07 February 2010 - 09:53 AM

Αν εννοείς τους κατασκευαστές στην F1, σε πληροφορώ πως ένα μονοθέσιο έχει συντελεστή 0,8 - 1,0.
Σε παραπέμπω σε ένα παλαιό κείμενό μου: www.in.gr/auto/F1rules.htm

Καταχωρήθηκε 07 February 2010 - 07:18 PM

Δημήτρη,καταπληκτικό κείμενο και ανάλυση,και όλα κατανοητά,εύγε!
μια ερώτηση.. εκτος απ τα αερόφρενα που λογικά πρέπει να κινούνται..υπάρχουν άλλα κινητά μέρη - flaps στο σκελετό της F1,που κινούνται αυτόματα η χειροκίνητα ανάλογα με τις συνθήκες αντίστασης του αερα π.χ επιτάχυνση,η επιρροή ρεύματος απο το προπορευόμενο όχημα κτλ..?

@akmakas, οκ λογικο είναι να είναι όλα αναλογικά επειδή εμείς βλέπουμε το σκαρί της F1 αεροδυναμικό αυτό δε σημαίνει και ότι είναι.. αλλιώς δε θα υπήρχε η σωστή πρόσφυση,με αποτέλεσμα εκτος να κανει ασταθές το οδήγημα (το σκέπτομαι σαν πολύ ευαίσθητο νευρικό ) να μπορούσε αναπάσα στιγμή να απογειωθεί ως αεροπλάνο.
Λογικά όσο επιταχύνει οι αεραγωγοί και οι κλήση των flaps να σπρώχνουν "κολλούν" το όχημα προς το έδαφος.
Σε αυτή την ιπποδύναμη τις επιταχύνσεις και ταχύτητες πρέπει να είναι αναλογικες και τεράστιες οι αντιστάσεις του αέρα για να παραμείνει το όχημα στο έδαφος.

Καταχωρήθηκε 07 February 2010 - 07:30 PM

Δημήτρη με κάλυψες...Έχεις απαντήσεις σε όλα τα ερωτήματα!Τέτοια κείμενα χρειαζόμαστε..