Σύγκριση Formula 1-Formula 1 in schools

Η έρευνα που διενεργήθηκε από το μηχανικό κατασκευής και το μηχανικό σχεδίασης σε θεωρητική βάση έγινε γύρω από τρεις βασικούς άξονες: τη μάζα, την αεροδυναμική και την κύλιση του αγωνιστικού. Οι παραπάνω παράγοντες καθορίζουν την ταχύτητα του αμαξιδίου, όπως θα μελετήσουμε παρακάτω.
Formula 1 – F1 in Schools
Μελετώντας τις βασικές αρχές κατασκευής τόσο των μονοθεσίων, όσο και των πιστών στην F1 καταλήξαμε στο ότι οι δύο διοργανώσεις έχουν ελάχιστα κοινά σημεία, όσον αφορά το συγκεκριμένο τομέα.
Ας ξεκινήσουμε από το πιο προφανές: τις πίστες στις οποίες τα αγωνιστικά διαγωνίζονται. Στο διαγωνισμό F1 in Schools μιλάμε για ευθείες πίστες 24 μέτρων, ενώ στη Formula 1 αναφερόμαστε σε πολύπλοκες πίστες με πολλές στροφές και συχνά αντίξοες συνθήκες. Άρα ίσως το πιο βασικό στοιχείο στη Formula1 είναι η συνεχής και σταθερή πρόσφυση του αγωνιστικού με το έδαφος. Ερευνώντας την πηγή κίνησης των αυτοκινήτων, στη Formula 1 μιλάμε για έναν πανίσχυρο κινητήρα που αποδίδει πολλούς ίππους, αλλά ταυτόχρονα έχει και πολλές ανάγκες. Οι μηχανικοί της F1 έχουν επομένως να αντιμετωπίσουν και να μελετήσουν τη βέλτιστη χρήση των καυσίμων. Επίσης χρησιμοποιούν την αεροδυναμική σχεσίαση του αμαξιού για να κατευθύνουν τον αέρα στη μηχανή και να την ψύξουν προστατεύοντάς την από μεγάλες θερμοκρασίες. Αντίθετα στη δική μας περίπτωση, η πηγή τροφοδοσίας είναι πάντα η ίδια: μια αμπούλα πεπιεσμένου αέρα (CO2) στην οποία δεν τίθεται θέμα ανάπτυξης θερμοκρασίας, άρα προσπαθούμε να διοχετεύσουμε τον αέρα μακρυά από το μονοθέσιο, για να μην επηρεάζει την ταχύτητά του αρνητικά.
Τέλος το αμάξωμα των αυτοκινήτων της F1 είναι κατά κύριο λόγο μεταλλικό, ενώ στο F1 in Schools, είναι σχεδόν εξ' ολοκλήρου από ξύλο balsa, ένα ευαίσθητο και πολύ ελαφρύ υλικό το οποίο δεν δέχεται πολλές τροποποιήσεις μετά την κοπή του.

 

Γενική μελέτη μοντέλου

 

Όπως αναφέραμε και προηγουμένως, η γενική απόδοση του αγωνιστικού εξαρτάται από τρεις βασικούς παράγοντες:
•τη μάζα
•την αεροδυναμική
•την κύλιση των τροχών
Γιατί όμως εξαρτάται από αυτούς τους παράγοντες;
Για να κατανοήσουμε καλύτερα το τι συμβαίνει σε έναν αγώνα του F1 in Schools πρέπει να το αναλύσουμε από την αρχή του έως το τέλος. Για το πρώτο κομμάτι της ανάλυσης θα χρειαστεί ή γνώση του 2ου νόμου του Νεύτωνα που όπως γνωρίζουμε είναι ΣF=ma.
Για την ώρα θα ασχοληθούμε καθαρά με τη δύναμη που ασκεί η αμπούλα στο αμαξίδιο. Επειδή λοιπόν οι αμπούλες είναι όλες πανομοιότυπες, άρα και το F ασκείται σε κάθε περίπτωση με την ίδια τιμή και για το ίδιο χρονικό διάστημα. Συνεπώς η επιτάχυνση που θα λάβει το αμάξι για όση ώρα ασκείται η F είναι a=F/m. Αυτό μας υποδεικνύει πως, αφού η F είναι ίδια σε κάθε περίπτωση, η επιτάχυνση που θα αποκτήσει το αυτοκίνητο εξαρτάται μόνο από τη μάζα του. Όσο μικρότερη η μάζα, τόσο μεγαλύτερη η επιτάχυνση.

Το θέμα είναι όμως πως εκτός από τη δύναμη που ασκείται από την αμπούλα, στο αμαξίδιο ασκείται και μια άλλη δύναμη, αντίρροπη στη φορά της κίνησης, η αντίσταση του αέρα. Η αντίσταση του αέρα, όπως και κάθε άλλη δύναμη, ανάλογα με τον τρόπο που πέφτει σε μια επιφάνεια, αναλύεται σε επιμέρους δυνάμεις Όπως φαίνεται στα παραπάνω σχήματα, όταν η δύναμη πέφτει σε κάθετη επιφάνεια δεν αναλύεται, όταν χτυπά σε επιφάνεια με θετική κλίση διασπάται σε δύο επιμέρους συνιστώσες, μία οριζόντια και μία κατακόρυφη με φορά προς τα κάτω. Τέλος, όταν προσκρούει σε επιφάνεια με αρνητική κλίση, αναλύεται σε μία οριζόντια και μία κατακόρυφη με φορά προς τα πάνω. Αν εφαρμόσουμε εκ νέου το 2ο νόμο του Νεύτωνα, αυτή τη φορά όμως μαζί με την αντίσταση του αέρα, θα διαπιστώσουμε τα εξής: ΣF=ma <=> Fαμπ- Fαερ=ma. Όσο μεγαλύτερο δηλαδή το Fαερ τόσο μικρότερο το a, αν θεωρήσουμε σταθερά το Fαμπ και m. Το Fαερ όμως συμβολίζει την οριζόντια δύναμη που ασκείται στο μονοθέσιο την οποία στο εξής θα ονομάζουμε drag. Έχουμε το μέγιστο drag όταν μια σταθερή δύναμη ασκείται σε κάθετη επιφάνεια καθώς δεν αναλύεται όπως είπαμε παραπάνω. Όσο μάλιστα μικρότερη είναι η φωνία της επιφάνειας στην οποία χτυπάει ο αέρας, τόσο μικρότερη είναι η drag , καθώς αναλύεται είτε σε κάθετη προς τα κάτω (downforce) είτε σε κάθετη προς τα πάνω (άνωση, lift) συνιστώσα. Δηλαδή, αν η δύναμη που ασκεί ο αέρας είναι σταθερή, τα αποτελέσματα αυτής της δύναμης πάνω στο μονοθέσιο εξαρτώνται από τον τρόπο ανάλυσής της.

                             ΣF=ma

 

Τι αποτελέσματα έχουν όμως αυτές οι κάθετες συνιστώσες πρακτικά στο αμαξίδιο;
Η downforce καθώς σπρώχνει το όχημα προς τα κάτω, αυξάνει τις τριβές με το έδαφος. Εδώ θα χρειαστεί ένας ακόμα τύπος για την κατανόηση της έννοιας τριβής. Η τριβή ορίζεται από τη σχέση Τ=μΝ με το μ να είναι ο συντελεστής τριβής του εδάφους. Μία μεταβλητή που εξαρτάται αποκλειστικά από το υλικά που έρχονται σε επαφή και Ν η κάθετη αντίδραση του επιπέδου στην δύναμη που ασκείται από το σώμα λόγω βαρύτητας. Άρα η τριβή -που είναι αντίρροπη της κίνησης- μεγαλώνει όσο μεγαλώνειηδύναμη που ασκείται στο έδαφος. Όσο μεγαλύτερη downforce τόσο μεγαλώνει η τριβή δηλαδή. Η άνωση (lift) κάνει ακριβώς το αντίθετο: όσο μεγαλύτερη είναι, τόσο το αμαξίδιο τείνει να χάσει την επαφή του με το έδαφος, γεγονός που επηρεάζει αρνητικά την κύλιση των τροχών. Άρα ο τρόπος κατασκευής ενός ιδανικού μονοθεσίου είναι η μελέτη των παραπάνω και η χρήση των σωστών αναλογιών μάζας-drag-downforce-lift, ελέγχοντας την καμπυλότητα και την κλίση του αγωνιστικού.
Συγκεκριμένα στο σχέδιο της ομάδας μας, τα εφαρμόσαμε με τους εξής τρόπους:
•Μειώσαμε σε μεγάλο βαθμό το drag, δίνοντας κλίση στο αμάξωμα καθώς και αφήνοντας μεγάλες περιοχές του αμαξιού κενές, για να μην συναντά ο αέρας εμπόδια.
•Μειώσαμε τη μάζα, αφήνοντας κενές κάποιες περιοχές και χαμηλώνοντας το ολικό ύψος του αμαξιδίου στο μικρότερο δυνατό σύμφωνα πάντα με τους κανονισμούς.
•Εξισορροπήσαμε μέσω των καμπυλοτήτων και των αεροτομών το lift και το drag, για να έχουμε σταθερή επαφή με το έδαφος, χωρίς να αυξάνουμε σημαντικά τις τριβές.
•Αφαιρέσαμε τις όποιες γωνίες είχε το αμαξίδιο, για να δώσουμε σταθερά μικρές πιέσεις και μεγάλες ταχύτητες στον αέρα (εξίσωση Bernulli).
•Κρατήσαμε σταθερό το κέντρο βάρους για να ακλείσουμε κάθε πιθανότητα αποσταθεροποίησης του αγωνιστικού.