Управление образования Администрации г. Екатеринбурга
Управление образования Администрации Кировского района г. Екатеринбурга
Негосударственное образовательное учреждение СОШ «Индра»
Технология аэродинамической трубы для болидов Формулы 1.
| Направление: | научно-техническое |
| Исследовательская работа (реферат) | по физике |
| Исполнитель, ученик 8 класса | Ю. А. Бондин |
| Учитель физики СОШ «Индра» | М. Ю. Бондина |
| Руководитель, директор по развитиюЗАО «Адаптируемые Прикладные Системы»,к.т.н., доцент | А. Р. Бондин |
г. Екатеринбург
2005 г.
Содержание
Введение. 3
1. Основы аэродинамики. 4
1.1. Ошибка Ньютона. 6
1.2. Эффект Бернулли. 10
1.3. Приборы для измерений давлений и скоростей в потоке. 12
1.4. Обтекание тел воздушным потоком. 15
2. Аэродинамика болида Формулы 1. 19
2.1 Передние и задние антикрылья. 19
2.2. Диффузор. 22
2.3. Боковые дефлекторы. 23
2.4. Воздухозаборник. 24
2.5. Слипстрим. 25
3. Аэродинамические трубы. 27
3.1. История создания и развития технологии аэродинамической трубы. 28
3.2. Конструкции аэродинамических труб. 31
3.3. Аэродинамические трубы для болидов Формулы 1. 34
3.4. Вазовская труба. 41
Использованные источники. 44
Не секрет, что Формула-1 (F1) один из самых зрелищных видов спорта и уступает по количеству зрителей разве, что только чемпионату мира по футболу. Тысячи зрителей на трибунах автодромов и миллионы телезрителей у своих экранов два часа с азартом наблюдают за автомобилями Формулы-1, несущимися по трассе с бешеной скоростью. На прямых болиды развивают скорость до 380 км/ч (Хоккенхайм - Дэвид Култхард) и те, кто сидят на трибунах видят автомобиль считанные секунды, не всегда успевая различить шлем пилота. Именно скорость делает Формулу-1 столь популярной.
В идеале единственно важная цель гоночного болида Формулы 1 - победить. И лучшая - именно та конфигурация и начинка машины, которая помогает достичь этого.
Существует множество факторов, которые нужно учитывать при создании этих невероятно сложных машин. Основные элементы болида - монококовое шасси, корпус, подвеска, двигатель и колеса. Конструктор должен найти оптимальные решения для каждого из этих элементов, чтобы создать лучшее, что может позволить себе команда, исходя из бюджета.
Подвеска обеспечивает механическое сцепление, через амортизаторы и демпферные механизмы, а грамотно направленный воздушный поток влияет на аэро-сцепление и создает прижимающую силу. Многие дни конструкторы проводят в аэродинамической трубе, работая над настройками аэро-начинки с целью обеспечения максимальной прижимающей силы на каждом торможении. Оптимальными настройками аэро- и механических элементов достигается оптимальная управляемость, и пилот получает возможность атаковать повороты, не опасаясь недоповорачиваемости (когда болид сносит в сторону) и переповорачиваемости (когда болид поворачивает слишком резко, и теряет сцепление задний мост), будучи уверен в своей машине.
Когда машина собрана, ответственность за правильность настроек, касающихся механического и аэро-сцепления, лежит на главном конструкторе. Он может менять первоначальные установки (закрылки влияют на аэро-показатели, демпфера и валки - на механические) с целью достижения конфигурации, наиболее подходящей для пилота, его стиля вождения. Конечно, решающую роль играет мнение самого гонщика. Если он не доволен машиной, ему будет тяжело показать на ней лучший пилотаж.
Принимая все это во внимание, становится ясно, что современный болид Формулы 1 - очень непростая вещь. Сложность и необходимая точность при создании деталей требует больших денежных затрат, требует много времени, множество людей трудится над тем, чтобы сделать болид совершенным - впрочем, здесь не стоит употреблять слово "совершенный", ведь в F1 нет идеальных механизмов.
Непрерывное развитие, прогресс необычайно важны, и недели простоя непременно обойдется потерей нескольких драгоценных сотых секунды по сравнению с соперниками. Качество деталей все время улучшается, большинство команд на протяжении сезона используют по две-три модели двигателя, и к концу года машина может быть уже совсем другим зверем, не тем, с которым начиналась кампания. Работа конструктора в Формуле 1 никогда не заканчивается.
Я увлекаюсь гонками Формулы 1, регулярно смотрю этапы чемпионата и болею за команду FERRARI (и ее первого пилота - Михаэля Шумахера). Я взялся за работу над этим рефератом, потому что мне было очень интересно узнать, почему одни болиды выигрывают, а другие нет. Существует множество факторов успеха команд в гран-при: шины, мотор, мастерство пилота, тормоза, подвеска и еще многое другое. Но темой данного реферата является изучение аэродинамических свойств болида, поскольку именно они, прежде всего, определяют результат гонки. Для этого были поставлены следующие цели: изучить основы аэродинамики, элементы аэродинамического пакета болида, познакомиться с историей создания, конструкцией и классификацией аэродинамических труб, на опыте исследовать силу и коэффициент аэродинамического сопротивления.
Аэродинамику часто называют "черной магией". Возможность заставить нечто невидимое сделать для вас какую-либо работу поистине завораживает. Специалист по аэродинамике, придав гоночному болиду определенную форму, может заставить воздушные потоки обтекать болид именно так, а не иначе, но эта тема всегда закрыта в разговорах с инженерами, потому что каждая из команд в этом компоненте хочет опередить своих соперников хотя бы на один шаг.
Не секрет, что Формула 1 за последние десятилетие стала самым высокотехнологичным соревнованием в мире, где всего лишь одна десятая секунды может разделить победителя и проигравшего. Наряду с мотором и резиной, одну из самых важных ролей в производительности болида играет аэродинамика. Зачастую именно удачный аэродинамический пакет болида, подготовленный к очередному Гран При решает исход гонки.
Аэродинамика — наука, изучающая процессы обтекания твердых тел жидкостями и газами. Применительно к Формуле-1 аэродинамика одна из главных наук, используемых при проектировании болидов.
Конструктор, создавая болид, пытается добиться компромисса, между его аэродинамическим сопротивлением и прижимной силой, поэтому в аэродинамике болида F1 две большие области исследования - это аэродинамическое торможение, из-за которого болид теряет скорость, и сила, прижимающая болид к трассе.
Начнем наше рассмотрение с аэродинамического торможения. Аэродинамика - понятие довольно запутанное. Откуда могут взяться какие-то там силы, ведь ничего же нет?! Что ж, небольшое предварительное обсуждение, внесет некоторую ясность в этот вопрос и поможет понять, о чем идет речь.
Представьте, что вы ведете свою машину по дну огромной цистерны с водой - торможение налицо, не так ли? А теперь представим, что в цистерне воздух. Теперь нечему вызвать торможение? Ошибаетесь! Любая жидкость и любой газ состоят из частичек, способных скользить относительно друг друга.
Некоторые частички сильнее прилипают к остальным, и не могут двигаться просто так. Это называется вязкостью. Когда жидкость или газ (например, вода или воздух) двигается над неподвижной поверхностью, прослойка частичек, наиболее близко расположенных к этой поверхности, прилипает к ней. Слой частичек, расположенный непосредственно над ним, двигается, но не так быстро, как мог бы, потому что его тормозят неподвижные частички на поверхности. Слой частичек над ним тоже тормозится, но уже не так сильно, и так далее. Чем дальше от неподвижной поверхности, тем быстрее движутся частички, пока их скорость не сравняется со скоростью основного потока. Слой, в котором частички движутся замедленно, называется приграничным слоем и появляется на любой поверхности. Этот слой создает один из трех компонентов аэродинамического торможения, называемый фрикционным сопротивлением обшивки.
Сила, затрачиваемая на то, чтобы раздвинуть молекулы воздуха при движении, создает второй компонент аэродинамического торможения - так называемое лобовое сопротивление. В аэродинамике размеры очень важны! Хотя вы и не можете этого почувствовать, но проталкивать плашмя сквозь вязкий воздух блюдце легче, чем большую тарелку, просто из-за того, что при движении тарелки вам придется сдвинуть с места большее число молекул воздуха - ведь ее поверхность больше.
Точно так же от величины фронтальной поверхности болида зависит испытываемое им лобовое сопротивление (фронтальная поверхность - это то, что видно при взгляде на болид спереди). Чем меньше эта поверхность, тем меньше молекул болиду придется расталкивать при движении, тем меньше лобовое сопротивление. Чем меньше энергии двигатель машины расходует на расталкивание молекул воздуха, тем больше ее остается для разгона болида по трассе, и соответственно, тем быстрее будет двигаться болид при той же мощности двигателя.
К несчастью, не все так просто. Форма движущегося объекта также играет немалую роль, ведь от нее зависит, насколько легко будут расступаться молекулы воздуха. Воздух следует за движущейся поверхностью, поэтому протолкнуть сквозь воздух плоскую тарелку труднее, чем миску с покатыми стенками, даже если площадь их фронтальных поверхностей одинакова. Воздух будет с легкостью обтекать стенки миски, в то время как на плоской поверхности тарелки поток воздуха будет застревать.
Исследователи в области аэродинамики установили, что наиболее выгодная с точки зрения легкости обтекания воздухом форма объекта - каплеобразная, с закругленной передней частью и вытянутой задней. Большинство людей с удивлением узнают об этом, поскольку кажется очевидным, что пронизывать воздух лучше вытянутым заостренным объектом, а не чем-то толстым и закругленным. Так мы постепенно приближаемся к обсуждению проблемы отрыва воздушного слоя.