نیروی عمودی (دانفورس) چیست؟ تیم فرمول 1 مرسدس پاسخ می‌دهد

اگر از مخاطبان پدال بوده باشید حتما در مقالات مربوط به خودروهای خارجی یا نمونه‌های مسابقه‌ای با عبارت دانفورس، نیروی عمودی یا نیروی روبه پایین (Downforce) روبه‌رو شده‌اید. اما این مولفه آیرودینامیک که در ساخت خودروهای مسابقه‌ای مانند فرمول ۱ کاربرد بسیاری دارد، چیست و چگونه عمل می‌کند؟ تیم مرسدس در این‌باره توضیح می‌دهد.

دانفورس المان عمودی نیروی آیرودینامیک وارد بر خودرو به شمار می‌رود و اتفاقا مهم‌ترین فاکتور در نحوه ورود خودرو به پیچ و خودرو موفقیت‌آمیز از آن است. راننده فرمول ۱، «جرج راسل»، درباره این تجربه خود از تاثیر این نیرو می‌گوید:

چیزی که ما با کاهش سطح نیروی عمودی حس می‌کنیم این است که خودرو کمی این طرف و آن طرف می‌رود و در پیچ‌ها چسبندگی کمتری دارد. البته در مسیرهای مستقیم سریع‌تر حرکت می‌کنید. در نقطه مقابل، وقتی تنظیمات را برای بهره‌وری از حداکثر نیروی عمودی فعال می‌کنید، چسبندگی آنقدر زیاد است که انگار خودرو سر پیچ‌ها به زمین چسبیده است و زمانی که در خط مستقیم حرکت می‌کنید، انگار پشت ماشین یک چتر باز شده است.

قاعدتا بسیاری از خودروها توانایی سریع‌ رفتن در خط مستقیم را دارند. آن چیزی که یک خودروی مسابقه‌ای ویژه مانند فرمول ۱ را از باقی خودروهای سریع مانند بوگاتی شیرون جدا می‌کند، سرعت حرکت بالا در پیچ‌ها و مانورپذیری خیره‌کننده آن‌ها به شمار می‌رود. بدون نیروی عمودی کافی، راننده مجبور می‌شود پیچ‌ها را با سرعت کمتری طی کند.

مهندسان برای توسعه یک پکیج آیرودینامیک در خودرو، به جریان سیال (هوا) توجه می‌کنند. آن‌ها جریان هوا را با تیغه‌های آیرودینامیک، دیفیوزرها، اسپویلرها و… کنترل می‌کنند و در جهتی قرار می‌دهند که نیروی عمودی لازم را در خودرو ایجاد کند. برای نیل این هدف، از دینامیک سیالات محاسباتی، CFD، استفاده می‌شود. پس از نمونه‌سازی کامپیوتری و دستیابی به یک طرح رقابتی، نمونه اولیه آماده آزمایش درون تونل باد می‌شود. تونل باد عملکردی مشابه جهان واقعی دارد، با این تفاوت که مدل نمونه در آن ایستا خواهد بود و جریان باد شبیه‌سازی‌شده بر آن خواهد دمید. البته در جهان فرمول ۱، تیم‌هایی که رتبه‌های پایین‌تر داشته باشند، می‌توانند زمان بیشتری را صرف توسعه خودروی خود در مسابقات کنند.

راننده در حرکت، با سه جریان باد از سر، دم و پهلوی خودرو مواجه می‌شود. سرعت خودروی فرمول ۱ در مواجهه با باد سر کاهش پیدا می‌کند. بنابراین سرعت ورود به پیچ کم می‌شود و به‌لطف فشار بادی که از روی خودرو گذر می‌کند، سرعت عبور از آن افزایش می‌یابد. در سوی دیگر، اگر هنگام ورود به پیچ باد از پشت‌سر یا پهلو با آن برخورد کند، سرعت ورود به پیچ افزایش می‌یابد و خودرو سبک‌تر احساس می‌شود؛ اینجا است که راننده‌ها اشتباه می‌کنند.

مردم تصور می‌کنند نیروی عمودی در سرعت‌های بالا بیشتر خود را نشان می‌دهد؛ جایی که فشار هوای بیشتر وجود دارد درحالی‌که اهمیت این مولفه در سرعت‌های پایین غیرقابل چشم‌پوشی است؛ چون بیشتر زمان از دست‌رفته خودروهای فرمول ۱ در سرعت‌های پایین اتفاق می‌افتد. هر خودروی فرمول ۱ امروزی در سرعت ۱۵۰ کیلومتر بر ساعت تقریبا برابر وزن خود یعنی ۷۹۸ کیلوگرم نیروی عمودی تولید می‌کند. این نیرو در سرعت‌ها بالاتر به ۳ تا ۴ برابر وزن خودرو هم می‌رسد؛ بنابراین نیروی عمودی در عبور از پیچ‌ها متوسط و کند به ستاره نمایش تبدیل می‌شود.

به‌لطف برگذاری مسابقات گرندپری در کشورهای گوناگون جهان مانند انگلستان، مکزیک، برزیل و… شرایط آب‌وهوایی هر پیست با پیست دیگر متفاوت است. این عامل تیم‌ها را مجبور می‌کند تا خودروهای خود را برای شرایط مختلف اماده کنند. برای نمونه، مسابقه «مکزیکو سیتی» در ارتفاع ۲,۲۴۰ متر بالاتر از سطح دریا برگزار می‌شود و کاهش غلظت هوا را به‌همراه دارد. این افزایش ارتفاع نه‌تنها روی نیروی عمودی تاثیرگذار است بلکه سیستم خنک‌کننده خودروی F1 را هم تحت‌تاثیر قرار می‌دهد. تیم‌ها برای دستیابی به سرعت‌های بالا هم از بال‌هایی استفاده می‌کنند که بیشترین میزان نیروی عمودی را برای خودرو فراهم کند. نهایتا غلظت کم هوا مانع دستیابی به سرعت‌های بالا نخواهد شد.