Connect with us

Kurbli

Mi az a ground effect?

A ground effectről úgy beszéltek az elmúlt időszakban, mint valamilyen mágikus csodaszer, amit újra felfedezték. Az tény, hogy a 70-es 80-as évek ezen korszakának egyes megoldásait betiltottak, de a 2022-es szabályok előtt is az ekkor kialakult filozófia és elvek voltak dominánsak a Forma-1-ben. Most ebben a cikkben áttekintjük a jelenség működési elvét majd a kornyak néhány nagy találmányát.

Szoknyák és Venturi-csatornák

1976-ban a Lotus egyik mérnöke, Peter Wright, a szélcsatornában végzett teszteket és kereste a minél tökéletesebb oldalszekrény kialakítást a következő versenyautóhoz. A tesztek közben észrevette, hogy időnként nagyon magas leszorítóerő növekedés történt a padlólemez alatt. Ő és mérnök társai felismerték, hogyha a padlólemez alatti légáramlatokat eltudnák szigetelni, akkor ezeket a kiugrásokat folyamatosan feltudnák tartani és hihetetlenül sok leszorító erőt nyernének vele. (Hozzá kell tenni a történelmi hűség kedvééért, hogy a jelenségről már jóval korábban is tudtak a tengeren túli IndyCar sorozatban). Így születtek meg a szoknyák, amik a padlólemezből indultak ki és egészen a versenypálya aszfaltjáig értek a versenyautó két kereke között. Egy 1977-es Lotus 78-as látható az alábbi képen, amely elsőként kezdte használni a ground effectet a Forma-1-ben és alapjaiban határozta meg később a versenyautók építési-filozófiáját. Ha a képet jobban megnézzük, akkor amerre a piros nyilak mutatnak, ott vannak a szoknyák. Sötét színűket az alapanyagként használt gumik adták.

De pontosan mi történt a padlólemez alatt, amit a Lotusnál észrevettek és a szoknyákkal igyekeztek fenntartani? Ennek elmagyarázásához most következik némi fizika óra. Bernoulli törvénye alapján egy közeg áramlásakor ha a sebesség nő akkor a nyomás egyre csökken. A nyomáscsökkenés pedig szívóhatást generál. Ha egy áramló közeget pedig összeszűkítünk, akkor az áramló közeg sebessége megnő, majd ismét megnövelünk akkor a sebessége visszaáll az eredeti értékre. Ez a Bernoulli törvény alapján folyamatos nyomásváltozással jár, ezt nevezzük Venturi-elvnek.

A Venturi csőben a közeg áramlása állandó, amely leegyszerűsítve függ a sebességtől és a keresztmetszetből. Ha nő a sebesség, csökken a nyomás, azaz a legszűkebb keresztmetszeten kapjuk a legalacsonyabb nyomást. A fizika az egyik hajtóerőnek nevezi meg a nyomást, azaz az anyagok a nagyobb nyomás felől a kisebb nyomás irányába haladnak, tehát a kaszni az alacsony nyomás felé halad az aszfalton. Így jobban az aszfalthoz tapadt az autó, ami a a kanyarokban tempónövekedést jelentett. Erre a Lotusnál Colin Chapman és munkatársai is rájöttek. A szoknyák segítségével igyekeztek elszigetelik a padlólemezt és a levegőt a Venturi-elv alapján még jobban összeszűkíteni. Ezek lettek a Venturi-csatornák.

Ha otthon szeretnéd megfigyelni a jelenséget és készíteni egy Venturi-csatornát, fogj meg egy nagyjából 7 cm hosszú négyzet alakú papírt. Két szemközti oldalát legfeljebb egy ujjnyival hajtsad be, majd ezekre az élekre állítsd a papírt egy asztal szélén. Ezután próbáld meg a papír alá fújni a levegőt. Ha mindent jól csináltál, akkor azt fogod tapasztalni, hogy a papír teteje közelebb kerül az asztal tetejéhez, amíg fújod a levegőt. Röviden, érvényesül a Venturi-elv a papír és az asztal között.

 

Az fenti képet, melyet Giorgio Piola készített a Lotus 79-es és 80-as autóit ábrázolja alulról. A sárgával színezett részek jelzik a Venturi-csatornákat. Jól látszik, főleg a Lotus 79-es esetében, hogy a levegő az autó alá jutva egy jóval kisebb térfogatú közegbe kerül, amelyben aztán felgyorsul és leszorító erőt termel mielőtt a hátsó kerekeknél távozna. Ez a tökélyre fejlesztett megoldás 1978-ban egy világbajnoki címet jelentett Mario Andrettinek.

A 2022-re autók padlólemezeibe is került ebből az egyszerű, de nagyszerű mérnöki megoldásból. Egy jól megtervezett Venturi-csatorna hihetetlenül hatékony tud lenni és emiatt sem veszítenek majd az idei versenyautók nagy sebességnél sok leszorító erőt a tavalyi gépekhez képest. Hiába nincsen már rajtuk annyi aerodinamikai elem.

 

A 70-es évek végén Venturi-csatornákat már nem csak a padlólemezekbe kezdték el a mérnökök beépíteni, hanem már az autó oldalszekrényeibe is. Az alábbi rajzon, amelyet Giorgio Piola az Arrows A2-esről készített jól látható, hogy az oldalszekrénybe épített Venturi-csatorna alakja egy megfordított szárnyelemre hasonlít és innen is kapták a korszak autói a wingcar, magyarul “szárnyas autó” becenevet. Az autók lényegében egy egybefüggő szárnyelemmé váltak, melyeknek szinte a teljes leszorító erejét a ground effect hatásnak köszönhette. Ha jól megnézzük, a Venturi-csatorna alakja egy hátsó szárnyéra hasonlít.

Egy ilyen elven működő autóra papíron nincsen szükség hagyományos értelemben vett első és hátsó szárnyakra, főleg az előbbiekre. Egy első szárny az elmélet szerint inkább árt a leszorítóerő termelésben a wingcaroknál, mert az autó padlólemeze alá haladó levegő áramlását bolygatja meg. Hiába termelne az az elem is leszorítóerőt, a zavarmentes talajszívó hatásával még több érhető el. Az 1979-es Arrows A2-esen ezért nem volt első szárny, mint azt az alábbi képen láthatjátok.

A ground-effect korszak azonban hamar véget ért. Ahogy gyorsultak a versenyautók a hihetetlen leszorító erők mellett túlságosan baleset veszélyesek lettek. Ha a szoknya megsérült az autók rendkívül instabillá és baleset veszélyessé válhattak, be is tiltották őket 1981-ben. A szöget a koporsóba a wingcarok egyik rossz tulajdonsága okozta végül. Hiába nem volt rajtuk első szárny a nagyobb szívóhatás generálás érdekében, de ami a papíron és a tervező asztalon működőképesnek tűnik a valóságban nem mindig az. A ground effectet ezek az autók már nem minden esetben tudták fenntartani, kiszámíthatatlan módon kezdtek el viselkedni. A szívóhatás olyan lett, mint a mesékben: hol volt-hol nem volt, ami szintén rendkívül baleset veszélyessé tette a használatukat. 1983-ra az FIA lépett és a teljesen sík padlólemezek használatával és a Venturi-csatornák eltüntetésévél lényegében a wingcar korszak végét jelentette.

A Diffúzor

Miután a szoknyákat betiltotta az FIA és a csapatokat a sík padlólemez használatára kötelezte, a mérnökök máshonnan próbálták meg az elveszített leszorítóerőket visszaszerezni. Így terelődött figyelem az autó hátulja felé, ahol egy több darabból álló kisebb fajta Venturi-csatornákat tartalmazó eszközt alkottak meg: a diffuzórt. Bár a nagy elődhöz képest nem volt akkora hatása, de nem lehet róla elmondani, hogy haszontalan lenne.

A diffúzor működését leginkább a Brabham BT46-osa, a porszívó autó által lehet megismerni. Ahogyan a Brabham hátulján lévő ventilátor eltávolította a levegőt az autó padlólemeze alól, a diffúzor ugyanezt a munkát végzi, csak mechanikus rásegítés helyett a fizika törvényeiben bízhat. A levegő a padlólemez alatt feltorlódik, de fel lehet gyorsítani, ha nem azonnal kerül vissza a szabadtérbe, hanem fokozatosan és szétterítve az autó mögött. A diffúzorok pontosan ezt végzik, a függőleges elemeikkel és az autó hátuljának kialakításával. A megnövekedett sebesség hatására nyomáscsökkenést idéznek elő, ami leszorító erő növekedéssel jár együtt.

Azonban érdemes észben tartani, hogy a van egy maximális érték, aminél gyorsabban a levegő nem tud gyorsabban áramolni és nem tudja kezelni kezelni a túl sok levegőt. Ekkor a légtömeg egy része leválik és azonnal leszórító erőt veszít az autó, amely főleg középgyors és gyorskanyarokban rögtön a kavicságyat jelentheti. De pánikra semmi gond, a hasmagasság megváltoztatásával lehet kezelni ezt a problémát, bár ez szinte azonnal maximálisan elérhető köridő csökkenésével jár.

A diffúzorok hatékonysága függ a méretüktől, az FIA pedig az évek alatt egyre kisebb méretre szabta ezt az eszközt, emellett a sík padlólemez helyett ma már a lépcsőzetes padlólemez használatát írják elő. A mérnökök erre válaszul egyre bonyolultabb diffúzorokat álmodtak meg, majd helyeztek fel az autóikra. Így születettek meg 2009-ben a dupla és tripla diffúzorok, melyek a megjelenésük után egy évvel már be is tiltottak. Ezt követően szinte azonnal a 80-as évekből ismert befújt diffúzor ötletét elevenítette fel a Red Bull és Renault kiküszöbölve azt a problémát, hogy a gázelvétel után is áramoljanak a kipufogóból gázok és a leszorítóerő termelésben segítsenek.

Azonban az egyre bonyolultabb és szofisztikáltabb diffúzorok és padlólemezek egyik okaként a versenyautó mögötti levegő egyre kuszább lett, amit a hátulról érkező autó szenvedett meg. A nem tökéletes körülmények miatt egy modern Forma-1-es autó padlólemeze és diffúzora rengeteget veszített a hatékonyságából és képtelen volt megelőzni az előtte haladó társát. A 2022-es szabályok ezért is születtek és lettek olyan szigorúak, amennyire halljuk és tértek vissza a Venturi csatornák is a Forma-1-be, hogy a versenyautók mögött a levegő ne legyen teljesen úgymond használhatatlan és a versenyzést segítsék a szabályalkotók.

Forrás:
Wéber Gábor – Forma-1 a 21. században, 2019
Wéber Gábor – Forma-1 az új korszak küszöbén, 2021

Click to comment