Большой секрет аэродинамики

Принято считать, что львиная доля прижимной силы автомобиля Ф-1 возникает на его антикрыльях. Все это верно, но есть один секрет...

При обтекании кузова автомобиля воздухом всегда имеют место две противоположные тенденции. С одной стороны, поток воздуха, обегающий машину сверху, поджимается кузовом, вследствие чего вынужден разгоняться. В результате давление в потоке падает, и возникает определенная подъемная сила.
Но и поток газа, выбравший для себя путь под днищем машины, также разгоняется, попадая в узкую щель между асфальтом и автомобилем. Это создает некоторое разрежение под машиной, присасывая ее к дороге.
Какая из этих тенденций перевесит - зависит от большого количества факторов. «Гражданские» машины обычно имеют достаточно большой дорожный просвет и негладкие днища, что препятствует возникновению серьезного разрежения под машиной, поэтому их движение чаще сопровождается действием подъемной силы. Например, симпатяга Volkswagen New Beetle на скорости 190 км/ч создает подъемную силу в 340 кг, что составляет почти треть массы автомобиля! Явление усугубляется характерным «горбатым» профилем «Жука», разгоняющего поток газа над машиной не хуже выпуклой части крыла самолета. А вот на Ferrari 360 Modena днище закрыто специальным обтекателем, поэтому на той же скорости на машину действует прижимная сила 90 кг, удваивающаяся при разгоне до 300 км/ч.

Создание прижимной силы за счет разрежения под машиной является крайне привлекательным полем деятельности для аэродинамиков, ведь площадь днища машины во много раз превосходит площадь даже самых больших антикрыльев. Поэтому действие уже небольшого разрежения приводит к возникновению ощутимой прижимной силы. Кроме того, обычно аэродинамическое сопротивление шасси при этом увеличивается незначительно, а в некоторых случаях даже уменьшается.
Апогеем использования днищ автомобилей Формулы-1 для создания прижимной силы стала эра граунд-эффекта, начавшаяся с дебюта в 1977 году автомобиля Lotus 78. После этого многие машины Формулы-1 получили специально профилированные нижние части боковых понтонов, позволявшие разгонять воздух до такой степени, что прижимные силы на скорости 300 км/ч переваливали за 1,5 тонны.
Чрезмерно возросшие скорости движения машин в поворотах привели к запрету граунд-эффекта в конце 1982 года. С тех пор регламент требует, чтобы днища машин Формулы-1 между передними и задними колесами были плоскими.
Какое-то время казалось, что отныне бремя создания прижимной силы ложится исключительно на традиционные антикрылья. Однако, как выяснилось, даже под плоским днищем воздушный поток можно разогнать настолько, что значения возникающей прижимной силы окажутся вполне сравнимыми с величинами сил, обеспечиваемых антикрыльями. В современном автомобиле Ф-1 порядка 40% всей прижимной силы возникает за счет действия разрежения под днищем.
От каких же факторов зависит эффективность создания прижимной силы под днищем машины?
Во-первых, от соотношения воздушных потоков, обтекающих машину сверху и снизу. Инженеры стремятся загнать как можно больше воздуха под автомобиль, что, с одной стороны, снижает разрежение, действующее на машину сверху, а с другой - уменьшает давление под машиной. Характерным примером того, как этого добиться, является Tyrrell 019 с так называемым «вздернутым носом», дебют которого состоялся в 1990 году. Эта концепция впоследствии была принята всеми командами Формулы-1 и стала нынче традиционной. Классические «низкие носы» машин Формулы-1 конца 80-х, украшенные с обеих сторон «усами» антикрыльев, препятствовали попаданию воздуха под днище. «Задрав» передние обтекатели, автомобили получили прибавку в прижимной силе с минимальным изменением коэффициента аэродинамического сопротивления, что сделало эту идею настоящим хитом.

С другой стороны, для того чтобы как следует разогнать поток воздуха под машиной, требуется определенный, обычно небольшой, дорожный просвет (расстояние между нижней точкой машины и трассой). Уменьшение просвета до определенного значения приводит к возрастанию коэффициента прижимной силы, поскольку уменьшается площадь поперечного сечения щели, по которой течет газ, с соответствующим увеличением скорости потока. Дальнейшее «приседание» машины вызывает «затирание» воздушного потока под днищем за счет действия вязкостных сил трения, что затрудняет ток газа.
Международная автомобильная федерация в непрерывной борьбе с возрастающими скоростями предприняла еще несколько атак на прижимную силу, создаваемую под днищем. Так, с 1995 года регламент обязывает инженеров делать днища автомобилей Ф-1 ступенчатыми: нижние части боковых понтонов должны располагаться в 50 мм над базовой плоскостью. Это увеличивает площадь поперечного сечения щели, по которой течет газ, и соответственно уменьшает прижимную силу. Ограничение общей ширины автомобиля в 1998 году величиной 1800 мм привело к искажению его пропорций. Длинные и узкие машины менее эффективны с точки зрения создания прижимной силы под днищем.
Вблизи поверхности днища за счет действия вязкостных сил трения воздушный поток имеет ту же скорость, что и автомобиль. Воздух как бы «прилипает» к днищу, двигаясь вместе с ним. Та же ситуация имеет место около поверхности трассы, где воздух, затормаживаемый силами трения со стороны трассы, неподвижен относительно дорожного полотна. Такие воздушные слои вблизи поверхностей называются пограничными. Между пограничными слоями воздушный поток движется относительно трассы с определенной скоростью, достигающей величин 30-50 км/ч. Другими словами, если скорость автомобиля относительно неподвижного воздуха - 300 км/ч, то под машиной поток газа разгоняется до 330-350 км/ч. За счет этого и возникает разрежение, присасывающее машину к земле. В результате падение давления под днищем машины может достигать 9 кПа. Много это или мало? Представьте себе, что такое разрежение мог бы развивать ваш пылесос. Тогда им можно было бы поднимать предметы массой до 10 кг, то есть, к примеру, «припылесосить» среднего размера собачку. Действуя же на обширное днище, поток создает прижимную силу в несколько сотен килограммов.
Именно таким образом из скрытого от посторонних взглядов плоского днища кудесники от аэродинамики извлекают почти столько же сил, сколько и из видимых каждому хитроумных антикрыльев. Впрочем, «донная» аэродинамика - слишком большой секрет, чтобы оставаться в Ф-1 тайной хоть для кого-нибудь.

Артем Краснов