อากาศพลศาสตร์

รายละเอียดปีกหน้าของรถแข่งฟอร์มูล่าวัน แสดงให้เห็นพื้นผิวแอโรไดนามิกหลายองค์ประกอบ

ทุกพื้นผิวบนอาคารสมัยใหม่ F1 รถคันนี้ได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงหลักอากาศพลศาสตร์เป็นอย่างดี ตั้งแต่แผ่นปลายปีกหน้าไปจนถึงช่องระบายไอเสีย

หลักอากาศพลศาสตร์เป็นปัจจัยสำคัญที่สุดเพียงอย่างเดียวในการแข่งขันฟอร์มูล่าวันยุคใหม่ ความแตกต่างระหว่างตำแหน่งหน้าสุดและหลังสุดของกริดสตาร์ทนั้นวัดได้ด้วยค่าแรงกดอากาศเพียงไม่กี่หน่วย และชิ้นส่วนตัวถังรถทุกชิ้นถูกออกแบบมาเพื่อช่วยให้การไหลของอากาศทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น จาก เกรแฮม Hillปีกแรกที่เขาถืออย่างลังเลใจ โมนาโก ตั้งแต่ปี 1968 จนถึงการนำพื้นแบบ Ground-effect กลับมาใช้อีกครั้งในปี 2022 F1 การออกแบบตามหลักอากาศพลศาสตร์เป็นหนึ่งในประเด็นสำคัญของการแข่งขันในวงการกีฬานี้

หลักการทางอากาศพลศาสตร์มีความหมายอย่างไรในฟอร์มูล่าวัน?

ในกีฬาฟอร์มูล่าวัน อากาศพลศาสตร์คือการศึกษาและการจัดการการไหลของอากาศรอบๆ และใต้ตัวรถ โดยมีเป้าหมายที่แข่งขันกันสองประการคือ การสร้าง downforce เพื่อกดล้อลงบนพื้นถนนและเพิ่มความเร็วในการเข้าโค้ง พร้อมทั้งลดแรงเสียดทานให้น้อยที่สุด ลาก เพื่อให้รถสามารถเร่งความเร็วและทำความเร็วสูงสุดได้เทียบเท่าคู่แข่ง วิศวกรใช้เวลาทั้งฤดูกาลในการปรับปรุงอัตราส่วนระหว่างสองสิ่งนี้อย่างละเอียด เพราะรถที่สร้างแรงกดลงได้มากกว่าในสภาวะแรงต้านอากาศเท่ากัน จะเร็วกว่าในทุกช่วงความเร็ว

สองพลังที่กำหนด F1 อากาศพลศาสตร์

downforce

แรงกดลง (Downforce) คือแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นเมื่อรถเคลื่อนที่ผ่านพื้นผิวที่มีรูปทรงต่างๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งปีกหน้า ปีกหลัง และพื้นรถ (Modern) F1 รถยนต์สามารถสร้างแรงกดลงได้หลายเท่าของน้ำหนักตัวเมื่อวิ่งด้วยความเร็วสูง แรงกดในแนวดิ่งที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยให้เกิดแรงยึดเกาะด้านข้างอย่างมหาศาล ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมรถแข่งกรังด์ปรีซ์จึงสามารถเข้าโค้งด้วยความเร็วที่รถยนต์ทั่วไปจะเสียหลักหลุดออกจากสนามได้

ลาก

แรงต้านอากาศคือแรงต้านทานที่รถพบขณะเคลื่อนที่ผ่านอากาศ แรงต้านอากาศจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของความเร็ว ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมสมรรถนะในการวิ่งทางตรงจึงไวต่อค่าแรงต้านอากาศของรถอย่างมาก ทุกองค์ประกอบของปีก ทุกช่องระบายอากาศ และทุกส่วนที่นูนออกมาบนตัวรถ ล้วนได้รับการออกแบบมาเพื่อลดแรงต้านอากาศ F1 รถยนต์เป็นสิ่งที่เกิดจากการประนีประนอม: มันสร้างแรงกดหรือกระแสลมเย็นที่เป็นประโยชน์ได้บ้าง ในขณะเดียวกันก็ก่อให้เกิดแรงต้านอากาศที่ไม่สามารถหลีกเลี่ยงได้

ประวัติโดยย่อของ F1 อากาศพลศาสตร์

ปี 1968: ปีกชุดแรก

อากาศพลศาสตร์ในฐานะที่เป็นเรื่องสำคัญ F1 ระเบียบวินัยเริ่มขึ้นที่โมนาโกในเดือนพฤษภาคม ปี 1968 เมื่อเกรแฮม Hillรถ Lotus 49B ของเขาติดตั้งปีกหน้าขนาดพอเหมาะและสปอยเลอร์หลังขนาดเล็ก ต่อมาได้มีการพัฒนาปีกปรับได้ซึ่งติดตั้งโดยตรงกับระบบกันสะเทือนเพื่อให้ได้ผลลัพธ์สูงสุด อย่างไรก็ตาม ความล้มเหลวทางโครงสร้างหลายครั้งทำให้... FIA เพื่อให้สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างรวดเร็ว และในปี 1969 ปีกจะต้องถูกรวมเข้ากับตัวถังและคงที่อยู่กับที่

ปี 1977 ถึง 1982: ยุคของแรงกดอากาศที่พื้นดิน

รถแข่ง Lotus 78 ของ Colin Chapman นำเสนอแนวคิดใหม่ในปี 1977 นั่นคือ การออกแบบใต้ท้องรถบริเวณแผงข้างให้เป็นรูปทรงคล้ายปีกเครื่องบินกลับหัว เพื่อเร่งการไหลของอากาศใต้ท้องรถ ทำให้เกิดบริเวณความดันต่ำที่ดูดตัวถังรถทั้งคันลงสู่พื้นถนน รถรุ่นต่อมาอย่าง Lotus 79 ก็ครองความยิ่งใหญ่ในปี 1978 ทีมคู่แข่งต่างพากันพัฒนารถที่มีพื้นรถแบบมีแผงข้างที่ล้ำสมัยขึ้นเรื่อยๆ จนกระทั่งแรงกดขณะเข้าโค้งเกินกว่าที่ร่างกายมนุษย์และเทคโนโลยีตัวถังรถในยุค 1970 จะรับมือได้อย่างปลอดภัย และในที่สุด FIA ก็สั่งห้ามใช้แผงข้างและกำหนดให้ใช้พื้นรถแบบเรียบในปี 1983

ปี 1983 ถึง 2021: หลักอากาศพลศาสตร์ที่เน้นปีก

เป็นเวลานานเกือบสี่ทศวรรษ F1 รถแข่งส่วนใหญ่สร้างแรงกดลงจากโครงสร้างที่ซับซ้อนของตัวถังส่วนบน ปีกหน้า ปีกข้าง ครีบควบคุมทิศทาง และชุดปีกหลัง แนวคิดนี้ทำให้ได้รถที่มีรูปทรงสวยงาม แต่ก็ก่อให้เกิดปัญหาสำคัญของกีฬานี้เช่นกัน นั่นคือ กระแสลมปั่นป่วนจากรถคันหน้าทำลายหลักอากาศพลศาสตร์ของรถคันหลัง ทำให้การขับตามอย่างใกล้ชิดทำได้ยากมาก และทำให้การแซงเป็นไปไม่ได้

2022: การกลับมาของปรากฏการณ์กราวด์เอฟเฟกต์

กฎระเบียบทางเทคนิคปี 2022 ได้นำแนวคิดเรื่องแรงยกจากพื้นดิน (ground effect) กลับมาใช้ใหม่ตามเงื่อนไขของ FIA พื้นห้องนักบินถูกปรับรูปทรงให้เป็นอุโมงค์เวนทูริ ปีกหน้าถูกทำให้เรียบง่ายขึ้น และห้ามใช้แผ่นบังลมด้านข้าง (bargeboards) ประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์ของเครื่องบินสมัยใหม่ F1 แรงกดของรถในตอนนี้มาจากพื้นรถแทนที่จะเป็นปีก และกระแสลมที่รถทิ้งไว้ด้านหลังได้รับการออกแบบให้สะอาดกว่าสำหรับรถคันที่ตามมา การกระเด้งขึ้นลงตามหลักอากาศพลศาสตร์ที่ความเร็วสูง กลายเป็นความท้าทายทางเทคนิคที่สำคัญที่สุดในฤดูกาลแรกภายใต้กฎใหม่ และบังคับให้มีการปรับความสูงของรถในทุกสนาม

ส่วนประกอบหลักทางอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินสมัยใหม่ F1 รถ

  • ปีกหน้า: กำหนดสมดุลของรถและโครงสร้างการไหลที่ทุกสิ่งทุกอย่างที่อยู่ถัดไปขึ้นอยู่กับมัน
  • อุโมงค์พื้นและอุโมงค์เวนทูรี: แหล่งกำเนิดแรงกดหลักนับตั้งแต่ปี 2022 สร้างแรงยึดเกาะโดยมีแรงต้านน้อยที่สุด
  • Diffuser: ทางลาดที่ด้านหลังของพื้นซึ่งช่วยขยายการไหลเวียนของอากาศกลับสู่ความดันบรรยากาศและเพิ่มประสิทธิภาพของพื้นให้มากขึ้น
  • ปีกหลัง: เพิ่มแรงกดลง และจนถึงปี 2025 ได้เป็นเจ้าภาพจัดงาน DRS แอคชูเอเตอร์;
  • ช่องระบายอากาศด้านข้างและช่องรับอากาศ: เส้นทางของอากาศเย็นในขณะที่นำกระแสลมภายนอกไปยัง diffuser;
  • ปีกคาน: ชิ้นส่วนปีกหลังด้านล่างที่เชื่อมต่อปีกหลังและ diffuser กระแส

เหตุใดหลักอากาศพลศาสตร์จึงเป็นตัวตัดสินแชมป์

เนื่องจากยาง เครื่องยนต์ และอัตราทดเกียร์ได้รับการกำหนดมาตรฐานอย่างเข้มงวดกว่าที่เคยเป็นมา หลักอากาศพลศาสตร์จึงเป็นส่วนที่ทีมต่างๆ มีอิสระมากที่สุด และด้วยเหตุนี้จึงสามารถดึงประสิทธิภาพออกมาได้มากที่สุด ประสิทธิภาพแรงกดลงเพียงหนึ่งในสิบของรอบสนามอาจสร้างความแตกต่างระหว่าง pole และ P5. เวลาในการทดสอบในอุโมงค์ลมถูกจำกัดต่อทีมโดยข้อบังคับการทดสอบทางอากาศพลศาสตร์ และการทดสอบ CFD ก็มีงบประมาณจำกัด ซึ่งบังคับให้วิศวกรต้องจัดลำดับความสำคัญอย่างเด็ดขาด ทีมที่จัดตารางการทดสอบด้วยการทดลองที่มีมูลค่าสูงสุดอย่างสม่ำเสมอจะได้รับประสิทธิภาพที่ดีที่สุดตลอดทั้งฤดูกาล

ข่าวสารล่าสุดด้านอากาศพลศาสตร์

คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับ F1 อากาศพลศาสตร์

หลักการอากาศพลศาสตร์เริ่มถูกนำมาใช้ในฟอร์มูล่าวันเมื่อใด?

การพัฒนาด้านอากาศพลศาสตร์อย่างเป็นทางการเริ่มต้นขึ้นที่โมนาโกในเดือนพฤษภาคม ปี 1968 เมื่อเกรแฮม Hillรถ Lotus 49B ของเขาติดตั้งปีกหน้าขนาดเล็กและสปอยเลอร์หลัง ต่อมาได้มีการติดตั้งปีกที่ปรับได้ซึ่งติดตั้งอยู่บนระบบกันสะเทือน แต่ถูกห้ามใช้ในปี 1969 หลังจากพบปัญหาโครงสร้างหลายครั้ง

ปรากฏการณ์ Ground Effect ใน F1 คืออะไร?

ปรากฏการณ์กราวด์เอฟเฟกต์ คือแรงกดที่เกิดจากการออกแบบใต้ท้องรถให้มีลักษณะคล้ายปีกเครื่องบินกลับหัว เพื่อเร่งการไหลของอากาศใต้ตัวถัง ทำให้เกิดบริเวณความดันต่ำที่ดูดรถให้ติดกับพื้นถนน โลตัสเป็นผู้บุกเบิกเทคโนโลยีนี้ในปี 1977 และกฎระเบียบปี 2022 ได้นำเทคโนโลยีนี้กลับมาใช้อีกครั้ง

แรงกดลงพื้นส่วนใหญ่ในเครื่องบินสมัยใหม่มาจากจุดไหน F1 รถคันนี้มาจากไหน?

ตั้งแต่ปี 2022 เป็นต้นไป F1 ในรถยนต์รุ่นต่างๆ แรงกดลงพื้นประมาณ 60 เปอร์เซ็นต์มาจากพื้นรถและช่องระบายอากาศแบบเวนทูรี มากกว่าจากปีกหน้าและปีกหลัง ก่อนปี 2022 ปีกและตัวถังส่วนบนเป็นแหล่งกำเนิดแรงกดลงพื้นหลัก

อากาศเสียใน F1 คืออะไร?

อากาศเสียคือกระแสลมปั่นป่วนที่เกิดจากรถคันหน้า มันจะรบกวนพื้นผิวตามหลักอากาศพลศาสตร์ของรถคันอื่นๆ ที่ขับตามหลังมา ทำให้แรงกดลดลง และทำให้การขับตามหลังอย่างใกล้ชิดทำได้ยาก กฎระเบียบปี 2022 ได้รับการออกแบบมาโดยเฉพาะเพื่อให้เกิดกระแสลมที่สะอาดขึ้นและปรับปรุงการแซงให้ดียิ่งขึ้น

การกระโดดแบบปลาโลมา (Porpoiling) คืออะไร?

ปรากฏการณ์ "การกระโดดขึ้นลงของรถ" (Porpoising) คือการสั่นสะเทือนในแนวดิ่งด้วยความเร็วสูงของรถยนต์ที่ใช้หลักการแรงกดอากาศจากพื้น (ground-effect car) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อแรงกดอากาศหยุดชะงักเนื่องจากพื้นรถอยู่ใกล้ถนนมากเกินไป จากนั้นแรงกดอากาศก็คลายตัวและรถก็เด้งกลับ ปรากฏการณ์นี้เป็นปัญหาใหญ่ในฤดูกาล 2022 และบังคับให้ทีมต่างๆ ต้องเพิ่มความสูงของตัวรถและเสริมความแข็งแรงของพื้นรถเพื่อควบคุมปรากฏการณ์นี้

การพัฒนาด้านอากาศพลศาสตร์ได้รับการควบคุมอย่างไร?

FIA จำกัดทั้งเวลาในการทดสอบในอุโมงค์ลมและการจำลองพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) ผ่านข้อบังคับการทดสอบด้านอากาศพลศาสตร์ ซึ่งเชื่อมโยงกับอันดับในตารางคะแนนสะสม ทำให้ทีมที่อยู่ในอันดับสูงกว่าได้รับเวลาทดสอบน้อยกว่า นอกจากนี้ ค่าใช้จ่ายยังถูกจำกัดโดยข้อบังคับทางการเงินอีกด้วย

ปรับปรุงครั้งล่าสุด: