Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1 (стр. 2 из 13)
Когда воздух следует за изгибом поверхности (или просто изменяет направление движения), у него не возникает никаких проблем пока изгиб его траектории остается небольшим. Если же изгиб очень крут, или направление движения неожиданно резко изменяется (как это бывает при встрече с заостренным объектом), воздуху приходится оторваться от поверхности, поскольку ему уже не хватает энергии следовать за ней. Обычно такая ситуация нежелательна, поскольку при этом приграничный слой становится больше и начинает тормозить воздушный поток перед объектом - фактически действуя как твердый барьер. Таким образом, заостренный объект, который вроде бы должен с легкостью пронизывать воздух, на самом деле испытывает сильное аэродинамическое торможение!
Третий компонент аэродинамического торможения называется "аэродинамическим сопротивлением". Оно появляется как побочный продукт аэродинамической прижимной силы. Вот почему, мечта специалиста по аэродинамике болида F1 свести к нулю торможение и довести до максимума прижимную силу так и останется мечтой!
Три компонента аэродинамического торможения сильно усложняют задачу проектировщика болидов! Чем больше аэродинамическое торможение, тем усерднее должен работать двигатель болида для того, чтобы машина двигалась на определенной скорости.
Мощность моторов, тем не менее, постоянно растет, и высокой скорости движения можно достичь даже при сильном аэродинамическом торможении. Поэтому цель конструкторов болидов Формулы 1 прежде всего в том, чтобы достичь максимальной прижимной силы, а потом уже разбираться с аэродинамическим торможением.
Специалистам по аэродинамике просто катастрофически не хватает прижимной силы! Чем большее усилие им удается извлечь из воздуха, тем большее усилие передается на поле зацепления покрышек и тем сильнее будет сцепление покрышек с поверхностью трека. Так как же они этого добиваются?
Чтобы все объяснить, возьмем для примера самую простую аэродинамическую форму – крыло, при помощи которого самолеты получают возможность летать. До семидесятых годов никому и в голову не приходила замечательная мысль перевернуть его с ног на голову, чтобы та подъемная сила, которая отрывает самолет от взлетно-посадочной полосы, могла использоваться для прижимания болида к треку.
Таким образом, в аэродинамике Формулы 1 начал происходить переворот. Ранее целью конструкторов было сведение к минимуму лобового сопротивления за счет округлых форм болида, но теперь болид Формулы 1 - все что угодно, только не гоночный автомобиль с округлой формой обшивки и минимальным лобовым сопротивлением, поскольку на первое место вышла прижимная сила.
Процессы взаимодействия твердых тел с жидкостями и газами (при малых скоростях и температурах набегающего потока) описываются одними и теми же уравнениями. При больших скоростях (около - и сверхзвуковых) воздух начинает сжиматься и вести себя существенно иначе. Далее будут рассматриваться основы аэродинамики только малых (дозвуковых) скоростей, поскольку скорости болидов F1 хотя и очень велики (до 350 км/ч), но значительно меньше скорости звука (1220 км/ч).
В основы аэродинамики легли исследования великих ученых, таких как Ньютон и Бернулли.
В 1686 году Ньютон издал свою знаменитую книгу «Математические начала натуральной философии» — эту первую, говоря его словами, попытку «подчинить явления природы законам математики». В ней был намечен путь к познанию, как природы сопротивления воздушной среды, так и причины возникновения подъемной силы на плоской, наклонной пластинке. Ньютон попытался облечь отдельные, часто еще неясные представления о причине сопротивления воздуха в стройную систему взглядов. Его последователи и продолжатели перевели эти взгляды на краткий, выразительный язык математических символов.
В основном, существо взглядов Ньютона сводилось к следующему. Воздух представляет собой скопление бесчисленного множества бесконечно малых частиц. Частицы подобны маленьким твердым шарам — они не взаимодействуют друг с другом, не обладают упругостью, трение между ними ничтожно мало. Как при дожде отдельные капли ударяют по руке, так, по Ньютону, на всякое тело, введенное в воздушный поток, обрушивается град мельчайших шаров — отдельных частичек воздуха.
Чем больше поперечные размеры тела, тем больше шаров ударит по нему за единицу времени: сила удара прямо пропорциональна площади поперечного сечения тела, движущегося в воздухе.
Чем плотнее воздух — больше шаров в единице объема — сильнее будет их удар по телу, движущемуся с прежней скоростью: сила удара прямо пропорциональна плотности той среды, в которой движется тело.
Что произойдет, если тело начнет двигаться быстрее? — ставил вопрос Ньютон. Пусть, отвечал он, тело начнет двигаться, например, в три раза быстрее. Тогда за единицу времени оно успеет встретить на своем пути в три раза больше шаров, и каждый встречный шар, кроме того, ударит движущееся тело в три раза сильнее. Следовательно, делал вывод Ньютон, сила удара в этом случае возрастет в 3х3 раза.
Следовательно, сила удара будет пропорциональна квадрату скорости движения тела в неподвижном воздухе или квадрату скорости движения воздуха относительно неподвижного тела.
На основе созданной Ньютоном ударной теории сопротивления тел пришли к формулам для определения силы удара или, как ее стали называть, силы сопротивления. В левой части этой формулы записывалась искомая сила сопротивления (F). В правой части, кроме фронтальной площади поперечного сечения тела (S), плотности среды (r) и квадрата скорости движения (V) - был записан еще коэффициент (C), названный коэффициентом пропорциональности.
, (1.1)где: F - аэродинамическая сила сопротивления;
C - коэффициент силы сопротивления;
V - скорость данного объекта;
S– фронтальная (лобовая) площадь поперечного сечения тела;
r = плотность воздуха.
Из теории Ньютона следовало, что этот коэффициент (C) постоянен для любого тела, независимо от его формы.
Этот вывод логически вытекал из самого существа взглядов Ньютона. Так как, по его мнению, причиной возникновения силы сопротивления является удар частиц воздуха о лобовую поверхность тела, то получалось, что хвостовая часть тела не могла оказывать никакого влияния на изменение силы сопротивления. Если шар, цилиндр и капля имеют одинаковые площади поперечного сечения, то по формуле Ньютона получалось, что при движении с одинаковыми скоростями и в одинаковой среде все три тела будут испытывать одинаковые по величине силы сопротивления своему движению.
Первые опыты, проделанные еще в конце XVIII столетия, показали, что далеко не все верно в теории Ньютона. До тех пор, пока брали тела одинаковой формы и измеряли силу сопротивления их при движении с разными скоростями, или в различных по плотности средах, например, в воздухе и в воде, подсчет по формуле давал величины, хорошо совпадавшие с теми, которые были измерены при опыте. Но как только начинали испытывать тела, отличающиеся друг от друга по форме, опыт не подтверждал теории Ньютона.
Однако критиковать Ньютона долго не решались. Слишком силен был его авторитет. Французские исследователи XVIII века хоть и видели порочность теории Ньютона, но не посмели поднять на нее руку и ограничились только указанием фактов, даже не проведя подлинно научного анализа своих собственных опытов.
Только в XIX веке великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев подверг резкой критике ошибочные взгляды Ньютона о сопротивлении среды. Интерес творца Периодической системы элементов к вопросам сопротивления среды движению тел не явился случайным или временным. Менделеев начал изучать свойства газов при различных давлениях, в том числе и при очень малых, и перенес свои научные интересы также в область метеорологии. Развитие метеорологии зависело от успехов воздухоплавания. Менделеев не только проявлял глубокий научный интерес к воздухоплаванию, но разрабатывал проекты воздухоплавательных аппаратов, совершил полет на воздушном шаре, поддерживал изобретателей, объединял вокруг себя энтузиастов летания. Наконец в 1880 году выпустил в свет замечательную книгу — результат большого разностороннего многолетнего труда.
В этой книге, которая называлась «О сопротивлении жидкостей и о воздухоплавании», Менделеев резкими и точными словами вскрыл основную причину ошибки Ньютона: «В сложном вопросе сопротивления среды, без точного знакомства с действительностью, Ньютон и другие теоретики задались гипотезою, совершенно не удовлетворяющею природе явлений...»
Менделеев писал, что «мнение о неприложимости ньютоновских начал к нахождению сопротивлений с особою ясностью и резкостью высказал прежде других известный ученый, Борда, капитан французского флота, который в середине XVIII века славился как замечательный ученый, и который навсегда оставил после себя много исследований и приемов, отличающихся большим изяществом и точностью. Борда в 1763 году высказался совершенно ясно против Ньютоновой теории сопротивления, потому что все его немногочисленные, но ясные опыты с нею несогласованны...»
Однако за научную беспринципность Борда крепко досталось от русского ученого. Менделеев писал: «...Он (Борда) показал, что во всех пунктах теория Ньютона грешит, но больше ничего не сделал, не поискал какой-либо связи между своими наблюдениями».