Центр давления. Большой вопрос.

Японский «Отоспоцу» продолжает подогревать интерес к своему июньскому номеру, который посвящен разбору технических тенденций в нынешней «Формуле-1». Попутно там ожидается блок заметок на общие темы аэродинамики. Вот из него и попался нам первый «эпизод». Там объясняются азы.

Прим.перев. И с некоторыми утверждениями мы, прямо сказать, не согласны. Это лишний раз доказывает, что слепо верить всему, что напечатано даже в самом уважаемом издании нельзя. Нужно самостоятельно изучать вопрос и думать головой, а не просто поглощать то, что дают. Сколько раз уже такое было (прежде всего, с итальянскими сайтами с их порой весьма странными умозаключениями) – и вот опять.

(наш ответ про центр давления - тут - с формулами!)

Аэродинамика оказывает существенное влияние на характеристики современных гоночных автомобилей. Однако, поскольку воздух невидим, его теорию и эффекты сложно понять. В этой статье мы поговорили с Ацуси Огавой, который принимал участие в разработке аэродинамики самых разных автомобилей, от машин «Формулы-1» и Индикара до автомобилей класса ГТ. Разговор о ключевых аспектах аэродинамики гоночных машин и автомобилей ГТ.

Прим.перев. И тут сразу же выдается термин, с которым мы не согласимся. Огава говорит про «центр давления» (CoP, Center of Pressure). А такой штуки у машины, в отличие от самолета, нету попросту! В достопамятные времена, когда соцсети еще не были запрещены, глав вред на эту тему пообщался с инженером из «Формулы-1» на страничке «Мюльсан Корнер». Изначально был вопрос, куда вообще прилагается аэродинамическая сила, потому что при составлении самого обычного чертежа с действиями сил выходит, что приложить-то ее некуда! И инженер в понятных даже школьнику формулах доказал, что нет такой точки «центра давления». Есть линия приложения аэродинамических сил! И это первый момент, с которым мы не согласны с Огавой. Либо он слишком сильно упрощает, потому что вокруг этого мнимого «центра» слишком много завязано в его объяснениях.

Из шести компонентов аэродинамических сил прижимная сила, сопротивление и «центр давления» важны не только для машин «Формулы-1», но и для всех гоночных автомобилей. Прижимная сила – это отрицательная подъемная сила, направленная вниз по оси Z. Сопротивление – это сила, направленная назад по оси X. «Центр давления» - «аэродинамический центр». Он может быть рассчитан как прижимная сила на передней оси / общая прижимная сила, а баланс между передней и задней осями и колебания «центра» влияют на момент (рыскание, тангаж) вокруг центра тяжести.

Аэродинамические силы, действующие на движущийся автомобиль, могут быть разложены на шесть компонентов: осевые силы в направлениях спереди назад (X), слева направо (Y) и сверху вниз (Z), а также вращательные силы вокруг каждой оси.

Осевые силы, действующие спереди назад, представляют собой сопротивление, силы, действующие слева направо, — боковые силы, а силы, действующие сверху вниз, — подъемную силу. Вращательная сила вокруг оси X — это крен, вокруг оси Y — тангаж, а вокруг оси Z — рыскание.

Из них наиболее важными в аэродинамической разработке гоночных автомобилей являются «прижимная сила, центр давления и сопротивление», - уточняет Ацуси Огава, который руководил аэродинамическими разработками во время третьей эры «Хонды» в «Формуле-1», а в настоящее время является управляющим директором и директором Института передовых технологий в НИОКР «Хонды» (Honda R&D Co., Ltd).

Прижимная сила - это величина, обратная подъемной силе, и относится к аэродинамической силе, действующей на автомобиль сверху. Этот термин, вероятно, знаком всем, кто интересуется автоспортом. Когда автомобиль движется вперед благодаря движущей силе, создаваемой силовым агрегатом, кузов автомобиля подвергается воздействию силы воздуха. Возьмем в качестве примера крыло. При рассмотрении в поперечном сечении воздух течет быстрее с выступающей нижней стороны и медленнее с верхней. В результате давление на нижней стороне крыла ниже, чем на верхней, что создает прижимную силу. «Чем больше прижимная сила, тем лучше», — говорит Огава.

Прим.перев. Ну, вот. Воздух под крылом течет быстрее, потому и прижимная сила. Эх, явно, Огава-сан скрывает мудрость от пытливых потомков. Сил возникает от взаимодействия движущихся масс воздуха с поверхностью. А то, что быстрее потекло, - это лишь следствие, но никак не причина. Впрочем, порой это похоже на спор о том, что появилось раньше: курица или птица.

Благодаря прижимной силе вертикальная нагрузка на шины увеличивается. Хотя это зависит от правил и степени технологического прогресса, машины «Формулы-1» могут создавать прижимную силу, в несколько раз превышающую их собственный вес. В общих чертах, максимальная сила, передаваемая шинами при прохождении поворотов, пропорциональна вертикальной нагрузке. Другими словами, чем больше вертикальная нагрузка, тем выше сцепление и тем выше предел скорости прохождения поворотов. Следовательно, «чем больше прижимная сила, тем лучше». Увеличение прижимной силы также приводит к улучшению характеристик при замедлении (торможении).

Второй важный момент – «центр аэродинамического давления» и расположение относительно центра тяжести.
Прим.перев. Первого, как мы выяснили, найти невозможно, но об этом Огава тактично умалчивает.

Если момент (рыскание) вокруг центра тяжести автомобиля, создаваемый боковой силой задних шин, больше, чем момент от передних шин, это приводит к недостаточной поворачиваемости (радиус поворота увеличивается с увеличением скорости - автомобиль уходит наружу), а противоположное - к избыточной поворачиваемости (радиус поворота уменьшается с увеличением скорости - автомобиль переходит в режим заноса). Другими словами, если центр давления смещен назад, то с увеличением скорости прижимная сила возрастает, и недостаточная поворачиваемость усиливается, а если он смещен вперед, то усиливается избыточная поворачиваемость.

Прим.перев. И еще одно сильное упрощение. Избыточная поворачиваемость – это вовсе не занос, а недостаточная – не снос. Тщаньями Дэнни Нулэна в обиход вошел термин «индекс стабильности». И вот он как раз описывает движение в данном случае. Если кратко, то у машины может быть избыточная поворачиваемость, но никакого заноса наблюдаться не будет, если на то указывает этот самый «индекс стабильности». Грубо говоря, даже с нейтральной поворачиваемостью машина может вести себя непредсказуемо (снос/занос), если переменные, определяющие этот индекс сложатся не самым удачным для водителя и конструктора образом. В общем, очередное упрощение, которое не применимо для тех, кто собрался что-нибудь конструлить у себя в гараже.

Третий пункт — сопротивление воздуха. Как подробно объяснено на странице 71, сопротивление воздуха можно условно разделить на сопротивление формы и индуктивное сопротивление. Аэродинамические устройства в основном создают прижимную силу за счет разницы давлений между верхней и нижней поверхностями. Эта разница давлений создает продольные вихри, которые вызывают сопротивление. «Чем больше прижимная сила, тем больше вихрь. Даже при минимальном отрыве потока и плавном воздушном потоке всегда будет возникать сопротивление в 1 единицу на каждые 3 единицы прижимной силы. В конечном итоге, единственный способ уменьшить сопротивление — это уменьшить прижимную силу».

Как обсуждалось на странице 72, компоненты днища уменьшают сопротивление за счет эффекта близости к земле, что позволяет более эффективно создавать прижимную силу. Поэтому, приоритет компонентов днища над передними и задними антикрыльями для создания прижимной силы приводит к меньшему увеличению сопротивления.

Прим.перев. Ну, спасибо, что уточнили. А-то мы уже собрались возмутиться.

«Лучше всего иметь высокую прижимную силу и низкое сопротивление. И баланс центра давления должен быть именно там, где вам требуется. Однако эти три параметра всегда являются компромиссом. Если вы попытаетесь создать прижимную силу, сопротивление увеличится, и центр давления будет нарушен. Нельзя думать только о переднем антикрыле и только о днище. Нужно думать о всей машине; никогда не удастся найти решение, которое удовлетворяло бы всем трем элементам. Это неизбежно, и как только развитие достигнет определенного уровня, вы неизбежно столкнетесь с этим компромиссом. Вот где начинается настоящая работа».

• < Назад
• Вперёд >