พลังที่ส่งรถ F1 ลงสู่สนาม: Ground Effect และอากาศพลศาสตร์ใต้ตัวรถ

แรงกดลงพื้น (Ground Effect) ทำงานเหมือนถุงมือล่องหนที่ไม่ได้ยกรถ F1 ให้ลอยขึ้นจากพื้น แต่ดึงรถลงไปในตัวสนาม โดยแรงดังกล่าวอาจมากกว่าน้ำหนักของตัวรถหลายเท่าได้
แรงกดลงพื้น (Ground Effect) ทำงานเหมือนถุงมือล่องหนที่ไม่ได้ยกรถ F1 ให้ลอยขึ้นจากพื้น แต่ดึงรถลงไปในตัวสนาม โดยแรงดังกล่าวอาจมากกว่าน้ำหนักของตัวรถหลายเท่าได้

แชร์หน้านี้

เอฟเฟกต์พื้น คือแรงอากาศพลศาสตร์ที่เปลี่ยนใต้ท้องรถ F1 ให้กลายเป็นปีกกลับด้านขนาดมหึมา ทำให้รถ "เกาะ" กับพื้นถนน ขณะที่อากาศไหลผ่านช่องแคบใต้ท้องรถอย่างรวดเร็ว แรงดันจะลดลง และแทนที่รถจะถูกดันขึ้น กลับถูกดูดลงไปในพื้นสนาม และนั่นคือเหตุผลที่รถ F1 ที่วิ่งเข้าโค้งด้วยความเร็ว 300 km/s จะทึบกับพื้นถนนแทนที่จะพุ่งชนกำแพง: แรงกดด้านล่างอาจมีมากเป็นหลายเท่าของน้ำหนักรถเอง

สิ่งที่น่าสนใจ

  • ในปี 1977 Lotus 78 กลายเป็นรถเอฟเฟกต์พื้นคันแรกในประวัติศาสตร์ Formula 1
  • Lotus 79 คว้าแชมป์จากเอฟเฟกต์พื้นเป็นครั้งแรกในปี 1978
  • เอฟเฟกต์พื้นถูกสั่งห้ามในปี 1983 ด้วยกฎพื้นเรียบ ก่อนจะกลับมาอีกครั้งในปี 2022 พร้อมอุโมงค์เวนตูรี
  • ในรถหลังปี 2022 downforce ราว 60% มาจากพื้นรถ ไม่ใช่จากปีก
  • แต่การปฏิวัติครั้งนี้ไม่ได้มาฟรี: ปัญหาการเด้งหรือที่เรียกว่า porpoising ในความเร็วสูงตามมาเสมอ

เอฟเฟกต์พื้นคืออะไรและทำงานอย่างไร? เรื่องราวที่ตรงข้ามกับเครื่องบิน

ลองคิดแบบนี้: ปีกเครื่องบินเร่งอากาศที่ไหลผ่านด้านบน ทำให้อากาศด้านล่างยกมันขึ้น วิศวกรสักวันหนึ่งตั้งคำถามว่า "ถ้ากลับด้านนี้ล่ะ?" และหนึ่งในไอเดียที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในประวัติศาสตร์ F1 ก็ถือกำเนิดขึ้น โปรไฟล์ปีกกลับด้านสร้างบริเวณแรงดันต่ำใต้ท้องรถ ส่วนแรงดันอากาศปกติด้านบนจะดันรถลง นั่นคือลงไปที่พื้นถนน เราเรียกสิ่งนี้ว่า downforce และยิ่งรถเร็วขึ้นเท่าไร แรงนี้ยิ่งใหญ่ขึ้นเท่านั้น

ฟิสิกส์ที่ทำงานอยู่เบื้องหลังคือ หลักเบอร์นูลลี: ยิ่งความเร็วของอากาศในฐานะของไหลสูงขึ้น แรงดันยิ่งลดลง กุญแจสำคัญของเอฟเฟกต์พื้นคือการอยู่ใกล้พื้นผิว ยิ่งรถใกล้พื้นถนน ช่องรับอากาศด้านล่างยิ่งแคบลง อากาศยิ่งเร็วขึ้น และแรงดันยิ่งต่ำลง กล่าวคือ เอฟเฟกต์นี้เพิ่มขึ้นแบบก้าวกระโดดตามความใกล้ชิดกับพื้นผิวถนน มันเหมือนกับเวลาที่คุณกวาดพื้นด้วยไม้กวาดแล้วฝุ่นถูกดูดเข้าไป - ช่องแคบ แรงดูดเข้ม

รู้ไหมว่าเอฟเฟกต์พื้นได้เปรียบปีกอย่างไรมากที่สุด? แรงต้านน้อยมาก ปีกที่สร้าง downforce ก็สร้างแรงต้านอากาศตามมาด้วย แต่อุโมงค์พื้นรถให้แรงที่แรงมากแทบไม่มีต้นทุน กระทั่งบันทึกไว้ว่าความเร็วสูงสุดของ Lotus 78 ก็เพิ่มขึ้นด้วย เพราะความเร็วในโค้งที่เพิ่มขึ้นไม่ได้กลายเป็นการเสียความเร็วบนทางตรง

ยุคของ Lotus: F1 เปลี่ยนไปอย่างไร? การปฏิวัติจาก 78 สู่ 79

กำเนิดของไอเดีย: จาก Can-Am สู่ de Havilland

ที่จริงแล้วไอเดียนี้ไม่ใช่ของใหม่ ในช่วง ทศวรรษ 1960 รถสปอร์ตตัวถังกว้างอย่าง Can-Am ก็ได้ประโยชน์จากเอฟเฟกต์ที่คล้ายกันแล้ว แต่เชื่อกันว่ามันจะใช้ไม่ได้กับรถ F1 แบบล้อเปิด ตัวถังแคบ ที่นั่งเดียว Peter Wright และ Tony Rudd ทดลองคอนเซปต์นี้ในอุโมงค์ลมของ BRM ปลายทศวรรษ 1960 ก่อนที่โครงการจะถูกวางข้างไป และนี่คือจุดที่ Colin Chapman เดินออกมาปรากฏตัวบนเวที

ต้นปี 1976 Chapman เกิดประกายไฟในใจขณะศึกษาหม้อน้ำที่ติดตั้งในปีกของเครื่องบินรบ de Havilland Mosquito: หากกลับระบบให้ตรงข้าม จะสร้าง downforce ได้อย่างมหาศาล เขาสร้างเอกสารเทคนิค 27 หน้าจากข้อสังเกตนี้ และการนับถอยหลังก็เริ่มต้นขึ้น

Lotus 78: กล่องดำที่แก้รหัสลับไม่ได้

Lotus 78 ก้าวเข้าสู่ F1 ในปี 1977 ที่ GP อาร์เจนตินา และคว้าชัยชนะแรกในฤดูกาลเดียวกันที่ GP สหรัฐฯ West (Long Beach) ส่วนพอนตอนข้างลำตัวของรถถูกขึ้นรูปเหมือนโปรไฟล์ปีกกลับหัว ความต่อเนื่องอับระหว่างพื้นผิวด้านล่างกับถนนถูกค้ำด้วยแปรงก่อน จากนั้นจึงเป็นผ้ากันสาดขอบแข็งไนลอน คู่แข่งแก้รหัสลับของรถคันนี้ไม่ได้ตลอดฤดูกาลนั้น ทีมของ Chapman ก็แต่งเรื่องอธิบายขึ้นมาเพื่อปิดบังเหตุผลที่แท้จริง มากไปกว่านั้น ฤดูกาลนั้นไม่ใช่ฤดูกาลที่น่าเบื่อเลย: Mario Andretti ได้ชัยชนะ 4 ครั้งและโพล 6 ครั้ง แต่เครื่องยนต์พัง 5 ครั้งทำให้ความฝันแชมป์มอดไหม้ - ถ้วยแชมป์จึงตกเป็นของ Lauda ผู้ขับ Ferrari ที่ไร้เอฟเฟกต์พื้น

การขับรถคันนี้เหมือนกับว่ารถถูกทาติดกับพื้นถนนไปเลย
Mario Andretti กล่าวถึง Lotus 78

Lotus 79: แชมป์คนแรกของเอฟเฟกต์พื้น

แล้วก็มาถึงช่วงที่หวานที่สุดของเรื่องนี้ Lotus 79 เปิดตัวในGP เบลเยียม 1978 (Zolder) โดย Andretti ได้ทั้งโพลและชนะการแข่ง ฤดูกาลนั้นแสดงให้เห็นด้วยตาเปล่าว่า Lotus เหนือกว่าระดับคู่แข่งแค่ไหน: ชนะ 6 ครั้ง จบแบบ 1-2 สี่ครั้ง แชมป์นักขับให้ Andretti และแชมป์ผู้ผลิตให้ Lotus ที่ทิ้งคู่แข่ง Ferrari ห่าง 58 คะแนน นี่คือฤดูกาลเดียวที่ประสบความสำเร็จที่สุดนับตั้งแต่การครองโลกของ Mercedes ในปี 1955 เหลือเพียงบันทึกมืดหม่นเพียงข้อเดียว: Ronnie Peterson เสียชีวิตจากภาวะแทรกซ้อนในการรักษาหลังอุบัติเหตุใน GP อิตาลี 1978 และจบฤดูกาลโดยตามหลัง Andretti 13 คะแนน

ใต้ท้องรถเกิดอะไรขึ้น? อุโมงค์ Venturi, ดิฟฟิวเซอร์ และปีก

Ön kanat görünüşte downforce üretir ama asıl işi arkadaki her bileşene temiz hava ulaştıran tüm aracı bir kanal gibi tasarlamaktır.

จินตนาการถึงระบบช่องทางใน Lotus 78/79 เหมือนท่อหนึ่งท่อ: ปากเข้าที่แคบ ตรงกลางเป็น "คอ" และการขยายตัวอย่างฉับพลันที่ดิฟฟิวเซอร์หน้าล้อหลัง อากาศเร่งความเร็วเมื่อผ่านช่วงที่แคบ ความดันลดลง ส่วนขยายตัวจะประกบกระแสลมกลับเข้าที่ เพราะผ้ากันสาดป้องกันไม่ให้อากาศหนีออกทางด้านข้าง ความดันต่ำนี้จึงกระจายครอบคลุมความกว้างทั้งหมดของพื้นรถ ชุดระบบนี้ให้ข้อได้เปรียบประมาณ 15% ในดาวน์ฟอร์ซระหว่างโค้ง - และนั่นแหละคือสิ่งที่คู่แข่งไม่เข้าใจ

แล้วปีกทำหน้าที่อะไร? ปีกหน้าผลิตดาวน์ฟอร์ซประมาณ 25-30% ของดาวน์ฟอร์ซรวม แต่ภารกิจหลักลึกกว่านั้น: คือการจัดระเบียบอากาศที่ส่วนที่เหลือของรถจะได้รับ การโฟกัสที่ปีกเพียงอย่างเดียวเป็นการเข้าใจผิด เพราะอากาศพลศาสตร์ F1 ยุคใหม่ออกแบบรถทั้งคันเป็นระบบช่องทางที่เป็นเนื้อเดียวกัน ส่วนดิฟฟิวเซอร์อยู่ด้านหลังเพลาหลัง เป็นหนึ่งในไม่กี่ส่วนของพื้นรถที่ได้รับอนุญาตให้ขึ้นรูป และเป็นประตูที่เตรียมกระแสลมพื้นรถสู่การไหลออก มีรายละเอียดสำคัญอีกอย่าง: ดิฟฟิวเซอร์คือองค์ประกอบที่บอบบางที่สุดซึ่งสูญเสียดาวน์ฟอร์ซได้ถึง 70% เมื่อวิ่งตามใกล้ - เมื่อเข้าสู่อากาศสกปรกของรถข้างหน้า มันคือส่วนแรกที่หยุดทำงาน

แม้รายละเอียดเล็ก ๆ อย่าง Gurney flap ก็สร้างความต่างได้: งานวิจัยแสดงว่า flap เพิ่มดาวน์ฟอร์ซประมาณ 24% ในขณะที่เพิ่มแรงต้านในระดับจำกัด เอฟเฟกต์พื้นยังทำงานร่วมกับแรงเกาะเชิงกลอย่างก้าวเดียวกัน ทั้งสองช่วยกันปรับปรุงการเร่งความเร็ว การเบรก และความเร็วในโค้งพร้อมกัน ความลับที่รถ F1 สามารถเข้าโค้งด้วยแรงหนีศูนย์สูงถึง 4G ไม่ได้อยู่ที่ยาง แต่อยู่ที่แรงกดอากาศพลศาสตร์นี้เป็นส่วนใหญ่

คุณสมบัติกราวด์เอฟเฟกต์ (ใต้ท้องรถ)ปีก
แหล่งกำเนิดแรงกดลงพื้นท้องรถและอุโมงค์เวนทูรีปีกหน้า/ปีกหลัง
บทลงโทษด้านแรงต้านต่ำค่อนข้างสูง
ประสิทธิภาพมีประสิทธิภาพมากกว่ามีประสิทธิภาพน้อยกว่า
ส่วนช่วยสนับสนุนที่เทียบเคียงกันได้ราว 60% ของแรงกดลงหลังปี 2022ปีกหน้าคิดเป็นราว 25-30% ของทั้งหมด
จุดอ่อนไวต่อระยะห่างจากพื้นมากเกินไป (porpoising)อากาศเสียจากรถคันข้างหน้า

ทำไมรถ F1 ถึงกระโดด? อธิบายเรื่อง Porpoising ตั้งแต่เริ่มต้น

นี่คือตัวร้ายในโรงหนังของกราวด์เอฟเฟกต์: porpoising หรือการเด้งเหมือนโลมา ชื่อนี้มาจากการกระโดดขึ้นลงของโลมาเหนือผิวน้ำ และกลไกของมันก็ง่าย: เมื่อขอบหน้าของพื้นท้องรถเข้าใกล้พื้นถนน แรงกดลงจะเพิ่มขึ้น แรงนี้กดลงบนระบบกันสะเทือนจนทำให้พื้นรถใกล้พื้นถนนจนเกือบแตะ เมื่อใกล้สัมผัสพื้น ความดันต่ำจะหายไปและรถจะยกตัวขึ้น จากนั้นแรงกดลงก่อตัวขึ้นอีกครั้งและวงจรก็เริ่มใหม่ ที่ความเร็วสูง การแกว่งตัวนี้ทำให้ส่วนหน้าของรถเด้งขึ้นตรงหน้าต่อหน้า รากของปัญหาคือภาระอากาศพลศาสตร์ไวต่อการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยของระยะห่างรถจากพื้น (ride height) มากเกินไป

ในฤดูกาล 2022 หลายคันต้องต่อสู้กับปรากฏการณ์นี้ และทีมต่างหันไปใช้วิธีการที่แตกต่างกัน: เช่น การวิ่งรถในระดับที่สูงขึ้นพร้อมระบบกันสะเทือนที่นุ่มกว่า หรือการปล่อยให้การแกว่งตัวถูกดูดซับโดยตัวระบบกันสะเทือนเอง ฟังดูง่าย แต่ทุกทางแก้มีราคาของตัวเอง - รถที่วิ่งสูงต้องเสียประสิทธิภาพของกราวด์เอฟเฟกต์ นี่คือเหตุผลที่กราวด์เอฟเฟกต์เป็นได้ทั้งแอปเปิ้ลในสายตาวิศวกรและเป็นฝันร้ายของพวกเขาในเวลาเดียวกัน

ข้อห้ามปี 1983 และการกลับมาในปี 2022: กฎเปลี่ยนตัวละครของรถอย่างไร?

ความรัดกุมอันมหัศจรรย์ระหว่างสกิร์ตกับพื้นถนนนั้น ในขณะเดียวกันก็เป็นแหล่งของอันตรายด้วย: เมื่อสกิร์ตติดกับเกาะกึ่ง (kerb) แรงดูดจะหายไปทันที และรถจะสูญเสียแรงยึดเกาะกับพื้นอย่างกะทันหัน FIA แก้ปัญหาอย่างเข้มงวด: ในปี 1983 สถานะกราวด์เอฟเฟกต์ถูกห้ามโดยระเบียบพื้นเรียบ (flat-bottom) ทีมต่างกลับมามองหาแรงกดลงจากปีกอีกครั้ง และตัวละครของรถก็เปลี่ยนไป

แต่เรื่องราวยังไม่จบ การเปลี่ยนแปลงกฎปี 2022 - แพ็กเกจขนาดใหญ่ที่ออกแบบไว้ตั้งแต่แรกสำหรับปี 2021 แต่เลื่อนออกไปหนึ่งปีเพราะโรคระบาด - มีเป้าหมายคือการแข่งที่ใกล้ชิดกว่าและการต่อสู้ที่ดีกว่า พร้อมกับนำกราวด์เอฟเฟกต์กลับคืนสู่รถ ช่องทางทั้งสองในพื้นใหม่นี้กำกับและเร่งการไหลของอากาศเพื่อสร้างบริเวณความดันต่ำ: นั่นคือ อุโมงค์เวนทูรี แบบสมัยใหม่ แล้วความต่างคืออะไร ตั้งแต่ปี 1978 อะไรเปลี่ยนไปบ้าง? ในรถสกิร์ตยุคเก่า ความรัดกุมมาจากการสัมผัสกับผิวถนนโดยตรงทางกายภาพ ส่วนในรถปี 2022 การไหลในอุโมงค์ทำงานอยู่ภายในตัวถังทั้งหมด โดยไม่ต้องมีการสัมผัส ผลลัพธ์สรุปได้ว่า: ในปี 2022 เป็นต้นไป แรงกดลงของรถประมาณ 60% ไม่ได้มาจากปีก แต่มาจากพื้นท้องรถและอุโมงค์เวนทูรี นี่คือการปฏิวัติการออกแบบที่ยิ่งใหญ่ที่สุดในรอบหลายสิบปี และ AMR22 ซึ่งเป็นหนึ่งในรถยุคใหม่คันแรก ก็เป็นหนึ่งในรถที่ประกาศการกลับมาอย่างเป็นทางการของ ground effect

แล้วการกลับมาครั้งนั้นสมบูรณ์แบบหรือไม่? ไม่ ยุค ground effect ปี 2022-2025 ถูกมองจากสองมุมมองที่แตกต่างกัน: ด้านหนึ่งคือคำชมว่า "ชุดกฎระเบียบที่ถูกวิจัยอย่างครอบคลุมที่สุดและเขียนอย่างเป็นระบบ" อีกด้านคือคำวิจารณ์ว่า "ทำได้ไม่ถึงความคาดหวัง ฝ่ายบริหารขัดขวางการแก้ไขที่จำเป็น" ยุคดังกล่าวถูกประทับตราด้วยการครองความเหนือกว่าของ Red Bull และต่อมา McLaren บนสนาม และช่วงปิดท้ายก็เริ่มต้นการถกเถียงที่รุนแรงยิ่งขึ้น: การยกเลิกช่อง Venturi ถูกตีความว่าเป็นการสิ้นสุดโดยพฤตินัยของยุค ground effect กติกา 2026 พารถไปสู่พื้นเรียบบางส่วนที่มีประสิทธิภาพน้อยลง และริ้วหลังแบบสามชิ้น พร้อมทั้งยกเลิกบีมวิงล่างออกไป แน่นอนว่า ground effect ไม่ได้หายไปทั้งหมด - งานวิจัยยังคงดำเนินต่อไปเพื่อทดแทนแรงที่สูญเสียไปจากพื้นรถด้วยโซลูชันอากาศพลศาสตร์รอบๆ ดิฟฟิวเซอร์

สรุปคือ: ทำไมรถ F1 จึงเข้าโค้งได้เร็ว?

คำตอบไม่ใช่คำเดียว แต่พอใส่ไว้ในประโยคเดียวได้: เพราะรถไม่ได้อยู่บนถนนเพียงอย่างเดียว แต่ถูก กดทับลงบนถนน ขณะที่ปีกบริหารอากาศด้านหน้าและด้านหลัง อุโมงค์ใต้พื้นรถสร้างผลต่างแรงดันนับพันกิโลกรัม แรงนี้ถูกถ่ายทอดไปยังยาง และยางก็ทำหน้าที่ของมันให้คุณ แนวคิดที่เริ่มต้นในอุโมงค์ลมของ Lotus ปี 1977 แชมป์ปี 1978 การห้ามใช้ปี 1983 การกลับมาอย่างยิ่งใหญ่ปี 2022 และการแสวงหาสมดุลใหม่ปี 2026 - ประวัติศาสตร์ทางเทคนิคของ F1 จริงๆ แล้วตอบคำถามเดียวกันมาตลอด: เราจะเกาะถนนได้ดีขึ้นอย่างไร? ครั้งต่อไปเมื่อรถ F1 ในการแข่งขันเลี้ยวอย่างแนบเนียนอยู่ในโค้งโดยไม่ส่ายไปมา คุณจะรู้แล้วว่ามีอะไรเกิดขึ้นใต้รถ และในความคิดของฉัน สิ่งนี้จะทำให้คุณมองโค้งเดียวกันนั้นด้วยสายตาที่แตกต่างไปอย่างสิ้นเชิง

แหล่งอ้างอิง