[RuffRyders]

Yarışlarda Aerodinamik

Aerodinamik, havada hareket eden nesneleri inceleyen bir bilimdir. Hava, sıkıştırılabilir bir akışkan olarak kabul edildiğinden, aerodinamik akışkan dinamikleri ile yakından ilgilidir. Bugünlerde, aerodinamik Formula 1 araçlarının performansını belirleyen en önemli etkenlerden biridir.

Aynı zamanda, motor değişiklikleri veya diğer mekanik geliştirmeler esnasında kazanılan performans artışının neredeyse tek etkenidir. Bu downforce, aracı zemine yaklaştıran bir güç olması ve araç ile zemin arasında var olan kuvveti arttırması dolayısıyla, ağırlıktaki “kuvvet verici” artışa da benzetilebilir.

Ayrıca, Formula 1 takımlarının bu konudaki verimliliği arttırmak için tüm imkanlara sahip olduklarını göz önünde bulunduracak olursak, en büyük rekabetin bu alanda yaşandığını söylemek pek de yanlış olmaz.

Temel aerodinamik yöntemleri ve formülleri kolayca çözümlendiğinden, diğer özellikler deneysel formüllerle doğrulanabilmekte. Uçak ve yarış arabaları gibi daha karmaşık suretlerde kesin bir hesaplama yapmak mümkün olmasa da, akışkan dinamiği sistemleri ve rüzgar tünelleri tasarımların oluşumuna büyük katkı sağlamakta.


Formula 1’deki uygulama

F1 (genel anlamda tüm kanatlı yarış arabaları) ön ve arka kanatların merkez çekimin zıt taraflarında olmaları ve her ikisinin de, bu şartlarda downforce yaratarak, aynı yönde “kaldırıcı” (güçlü bir şekilde) olmaları sebebiyle, aldatıcı bir konfigürasyon olarak kabul edilebilir.

Bir gözlemcinin bakış açısından bakacak olursak, bir araç (en azından) 3 bölümde ele alınabilir: ön kanat, aracın gövdesi ve arka kanat. Bu bölümlerin her biri, gerekli downforce'a ulaşmak adına iyileştirilebilir. Ne ölçüde olursa olsun, her bileşenin aracın gidişatına olan etkisi ayrıdır ve hiçbir bileşen başlıbaşına bir bileşen olarak kabul edilemez. Sonuç olarak, hiçbir madde bireysel olarak test edilmez, testler her zaman aracın geneli göz önünde bulundurularak yapılır.

Bir yarış aracı çok karmaşık bir sistem olduğundan, mühendis ekipleri araçları adım adım geliştirirler. Önce bir öğeyi ortaya koyar, daha sonra onun araçla genel uyumunu kontrol ederler. Bir öğenin aracın geneline olan etkisi “Amadahl Yasası” ile hesaplanabilir:

Bu formülde, sistemin geliştirilebilen fraksiyonu, ise bu fraksiyonun geliştirilebilme faktörüdür. Son olarak, ise, elde edilecek olan nihai gelişimdir.

Gelişimi onayladıktan sonra, önemli olan bir diğer nokta ise, aracın verimliliğini belirlemek ve bunu farklı pistlerde test edip onaylamaktır.


Drag

imageDrag, havada (veya herhangi başka bir akışkanda) hareket eden bir nesnenin hızının zıttı olan aerodinamik kuvvetttir. Boyutu hava ve katı nesne arasındaki hız farkıyla orantılıdır. Bundan dolayı, havanın mı sabit bir nesnenin etrafında hareket ediyor olduğu, veya nesnenin mi sabit bir hava kütlesi etrafında döndüğü önemsizdir.

Drag çeşitli biçimlerde olabilir. Bu biçimlerden biri, katı moleküllerin hava moleküllerine sürtünmesinden doğan ‘sürtünme dragı’dır. Sürtünme ve ondan kaynaklanan drag hem akışkan hem de katı maddelerle alakalıdır. Örneğin, katı maddenin yumuşak yüzeyi sert yüzeyine oranla daha az yüzeysel sürtünme üretir. Akışkandaki sürtünme ise, akışkanın kıvamına göre farklılık gösterir. Katı yüzeyde, düşük enerji akımının sınırı ve yüzeysel sürtünmenin miktarı, sınır seviyesine bağlıdır.
Bir diğer tür drag ise, havanın hareket halindeki nesneye karşı direncidir. Bu tür drag, kanadın özel şekline bağlıdır ve bu sebepten ötürü form (şekil) dragı olarak da bilinir. Hava gövdenin etrafında hareket ettikçe, yerel hız ve basınç değişiklik gösterir ve bir kuvvet ortaya çıkarır.

İnterferans dragı veya ‘uyarıcı’ drag ise, katı nesnenin arkasında yer alan fanlar tarafından meydana getirilen drag olarak bilinir. Kanat etrafında havanın yön değiştirmesi ve hava akımının değişime uğramayan, yolundaki akımla karşı karşıya gelmesi sonucunda bir girdap oluşur. Bu girdabın boyutu ve dolayısıyla onun drag gücü, hava kanadının hücum açısına bağlı olarak artış gösterir.

erçekleşmesi mümkün olabilecek bir drag azalması durumunda ise, Formula 1 takımları bu düşüşü, kanatlara veya esnek kollara ek parçalar takarak önlemeye çalışıyorlar.

Diğer drag türleri ise, dalga dragı ve tokmak (çekiç) dragı olarak da adlandırılabilir. Dalga dragı olarak bahsettiğimiz drag, hareket halindeki nesne sesin hızına doğru süratlendiğinde meydana geldiğinden dolayı, normal yarış arabaları için pek de önemli değildir. Tokmak dragı olarak adlandırdığımız drag türü ise, serbest hava akımının yavaşlatılması prensibine dayanır.

Belirli bir nesnenin hava akımında yarattığı drag miktarı drag katsayısında görülür. Bu katsayı, drag kuvvetinin, dinamik basınçın alanla çarpımına oranıdır. Bu nedenle, 1’in ’si nesneye doğru ilerleyen tüm hava akımının durdurulacağını ifade ederken, teorik olan 0 ise tamamen temiz olan hava akımının temsilidir.

Oldukça yüksek hızlarda, yani yüksek Reynolds rakamlarında ( ), aerodinamik drag kuvveti şu formül kullanılarak hesaplanabilir:

Fd drag kuvvetinin (Newton biriminde), p havanın yoğunluğunun, v nesnenin hızının, A ilgili yüzeyin, Cd ise dragın katsayısının yerini tutar. Eksi işaretinin ve vektörün ( ), nesnenin hareketine zıt olduğunu da ayrıca belirtmekte fayda var.


Downforce

Motorsporlarındaki hava kanatları genel olarak, uçaklarda olduğu gibi, sadece “kanat” olarak bilinirler. Aslına bakacak olursanız, zaten çok benzerlerdir. F1 kanat ve kanatçıklarının amacı, yüksek bir hücum açısına sahip olmaları dolayısıyla, yüksek miktarda downforce üretmek ve aynı zamanda hava kanadının dragını arttırmaktir.

Hava kanatlarının bugünkü hallerini almaları birkaç dahi tanınmış bilim adamının çalışmaları sayesinde olmuştur. 1686 senesinde, Isaac Newton hareketin üç yasasını ortaya koymuştur. Bu üç yasadan biri, enerjinin muhafazası idi. Newton, enerjinin, bir türden diğerine değiştirilebilse de, daimi ve kapalı bir sistem olduğunu öne sürmüştü. Daniel Bernouilli, bu teoriden yola çıkarak, muntazam bir şekilde akmakta olan akışkan sistemindeki enerjinin tümünün daimi olarak akışını sürdürdüğü teorisini öne sürdü. Bernouilli, akışkanın akım hızındaki herhangi bir artışın, onun basıncındaki düşüşle karşılaştırılması gerektiğini belirtti. Basınç varyasyonunun alanla çarpımını gövdenin tamamına ekleyemek, ona göre gövdedeki aerodinamik kuvveti saptamanın en doğru yoluydu.

Hava kanadının işleyişi, kanadı sabit, laminer bir hava akımı dahilinde ele alarak kolayca açıklanabilir. Havanın bir gaz olduğunu kabul edecek olursak, havanın moleküllerinin etrafta serbestçe dolanabileceklerini ve hava akımının çeşitli noktalarında farklı hızlara ulaşabileceklerini de kabul etmiş oluruz. Downforce üreten hava kanatlarının alçak kısımlarının daha kalın olacak şekilde oluşturulduklarını göz önünde bulunduracak olursak, alçak hava akımının yüzeyde hafiçe azaldığını ve bu nedenle basıncın da azaladığını görürüz. Kanadın üstünde, havanın hızı daha azdır ve dolayısıyla basınçtaki farklılık kanatta downforce kuvveti yaratır. Ek olarak, -Newton’un hareketin üçüncü yasasını da dikkate alarak- downforce kanatlarının, hava akımının yönünü değiştirmeleri sebebiyle, hiçbir zaman düz olmadıklarını söylemek de mümkündür. Daha fazla detaya girmek gerekirse, kanadın şekli havayı yukarı doğru yönlendirmek ve onun hızını değiştirmek amacıyla tasarlanır da diyebiliriz. Bu tür bir hız, gövdede gözle görülür bir kuvvet oluşturur.

Bu bize kuvvetin F , hızda V değişikliye sebep olduğunu gösterir. Aynı zamanda, hızdaki herhangi bir değişiklik, kuvvet üretir. Hızın, sürat ve yön bileşenlerine sahip olan vektoryal bir birim olduğunu not ediniz. Dolayısıyla, bu bileşenlerden herhangi birini değiştirmek için, kuvveti etkilemelisiniz. Süratin ya da yönün akışı değişecek olursa, kuvvet elde edilecektir.

Akışkanın yönünün değişmesinin, moleküllerin hareket özgürlüğüne sahip olmaları dolayısıyla, akışkanın moleküllerinin katı gövde ile etkileşim içinde bulunmasından kaynaklandığı da göz önünde bulundurulmalıdır. Katı gövdenin herhangi bir kısmı akımın yönünden sapmasına neden olabilir. Yaklaşan akımı karşılayan bölümler rüzgar üstü olarak tanımlanırken, akımın gidişini izleyen bölümler ise rüzgar altı olarak tanımlanırlar. Hem rüzgar üstü hem de rüzgar altı bölümler, akımı yönünden saptırırlar. Rüzgar altı sapmayı yok saymak, yanlış bir ‘kaldırmanın “atlama taşı” teorisine’ sebebiyet verir.

Downforce, genellikle “eşit geçiş zamanı” veya “daha uzun yol teorisi” olarak da tanımalanır. Kanadın daha uzun olan tarafındaki hava daha hızlı hareket ederken, eş zamanlı olarak downforce etkisini de azaltır.

Bu basite indirgenmiş uyarlamalar, kaldırma ve downforce üretiminin temeli olmalarına reğmen, asıl gerçek çok güçlü bilgisayar sistemleri gerektiren karmaşık bir araştırma olduğu için kolaylıkla basite indirgenemez. Bir gaz söz konusu ise, eş zamanlı olarak hacmi, hızı ve akımdaki enerjiyi muhafaza etmeliyiz. Hacim, hız ve akımdaki enerjinin eş zamanlı muhafazası “Euler Denklemi” (Leonard Euler) olarak adlandırılır. Bazı bilgisayar algoritmaları da bu denklemlere dayanır.

Karmaşadan dolayı, günümüz Formula 1 araçları CFD (Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği) ve CAD (Bilgisayar Destekli Tasarım) kullanılarak tasarlanmaktalar. Bu sistemleri kullanıyor olmak, mühendislere aracı tasarlamak ve aracın etrafındaki hava akışını kontrol etmek konularında ortam hazırlar.

Kaynak