فناوری

“فرمول یک” و رقابت مهندسان خودرو

فرمول ۱
نوشته شده توسط تیم تحریریه علمنا

مسابقات فرمول ۱ یکی از جذاب ترین مسابقات در بین علاقمندان به مسابقات اتومبیل رانی است. این مسابقات نه تنها رقابت بین رانندگان و سنجش مهارت آن ها می باشد بلکه شاید بزرگترین رقابت مهندسان در دنیا باشد. این مسابقات با داشتن تعداد زیادی قوانین در بخش فنی، بزرگترین خودروسازان دنیا را به چالش دعوت می کند و تنها خودروسازانی قادر به رقابت در این مسابقات هستند که از دانش فنی بسیار بالایی بهره می برند. این چالش بزرگ مهندسی در طی سال های برگزاری این مسابقات تبدیل به یک سیر تکاملی در رشته های مهندسی مربوط به خودرو شده است و باعث تولید تکنولوژی ها و نوآوری های زیادی در این زمینه شده است. همه این مسائل جذابیت این مسابقات را برای مهندسان دو چندان کرده است. در این مقاله قصد داریم تا با برخی از ویژگی های خودروهای فرمول ۱ که حاصل سال ها تلاش مهندسی برای رسیدن به بهترین عملکرد هستند؛ آشنا شویم.
اساس کار خودروهای فرمول ۱ با یک خودروی سواری معمولی تفاوتی ندارد. هر دو از موتورهای احتراق داخلی استفاده می کنند و هر دو سیستم انتقال قدرت، سیستم تعلیق، چرخ و دیگر قسمت های مشترک استفاده می کنند. اما نقاط مشترک در همین جا به پایان می رسد. خودروهای فرمول یک برای رانندگی گاه به گاه شهری طراحی نشده است. همه چیز در این خودروها تنها برای یک چیز و فقط یک چیز طراحی شده است – “سرعت”.
ترکیب وزن بسیار کم، قدرت فوق العاده زیاد، آیرودینامیک خاص و تایرهایی با عملکرد فوق العاده بالا ویژگی های دینامیکی فوق العاده خاصی را به این خودرو ها می دهد. یک خودرو فرمول ۱ در طی یک مسابقه با سرعت متوسط ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت به رقابت می پردازد. در خارج از مسابقه درکوردهایی در حدود ۴۰۰ کیلومتر بر ساعت بر این خودروها ثبت شده است. این خودروها می توانند در ۱/۷ ثانیه از سکون به سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت دست یابند و در کمتر از ۱۰ ثانیه به سرعت ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت برسند! شتاب متوسط این خودروها در حدود ۱/۴۵ شتاب جاذبه زمین است و این به معنی این است که راننده خودروهای فرمول ۱ در هنگام شتابگیری، شتابی ۱/۵ برابر شتاب سقوط آزاد از را تجربه می کنند! اما این عدد در هنگام ترمز گیری به ۵ برابر شتاب جاذبه زمین می رسد چرا که این خودروها قادر هستند از سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت با طی مسافت ۱۵ متر به حالت سکون برسند. همچنین این خودرو ها قادرند با چنان سرعت های بالایی از پیچ های جاده عبور کنند که یکی از تمرینات مهم رانندگان خودروهای فرمول ۱، تمرینات قدرتی عضلات گردن می باشد.
اما سیستم های که باعث رسیدن این خودروها به این عملکرد بالا شده اند چه ویژگی هایی دارند؟ در ادامه نگاهی اجمالی به سیستم های اصلی یک خودرو فرمول ۱ می اندازیم:

شاسی

شاسی

شاسی بخشی از خودرو می باشد که تمام سیستم ها و قطعات خودرو به آن متصل می‌شوند. مانند بسیاری از خودروهای مدرن و هواپیماها، خودروهای فرمول ۱ از شاسی مونوکوک بهره می برند. مونوکوک کلمه ای فرانسوی به معنی “تک ورق” (Single Shell) است که به ساختار پیوسته و یکپارچه شاسی و بدنه خودرو اشاره دارد. در گذشته این شاسی از آلومینیوم که یکی از سبکترین فلزات شناخته شده می باشد؛ ساخته می شده است، اما امروزه در ساخت شاسی این خودروها از کامپوزیت فیبر کربن و دیگر مواد فوق سبک و یا لایه ای از فیبر کربن بر روی مِش آلومینیوم استفاده می شود. نتیجه استفاده از این مواد سبک و مقاوم، خودروی سبکی است که می تواند در مقابل نیروی رو به پایین تولید شده توسط باله های خودرو، مقاومت نماید.
کابین راننده در خودروهای فرمول ۱ بر خلاف اتاق خودروهای سواری نمی تواند متنوع باشد و باید بر اساس مقررات فنی بسیار دقیقی مانند داشتن حداقل اندازه ممکن و یا داشتن سطح صاف در کف کابین، ساخته شود. این کابین یک سلول مستحکم است که راننده را در خود جای داده و از آن در برابر ضربات در تصادفات محافظت می نماید. همچنین به دلیل اینکه صندلی ها بر اساس اندازه های دقیق بدن راننده ها ساخته می شود، حرکات رانندگان در داخل کابین بسیار محدود است.
حداقل وزن مجاز برای خودروهای فرمول ۱، ۷۰۲ کیلوگرم است. البته این عدد با در نظر گرفتن وزن راننده و با باک خالی محاسبه می شود. معمولا در زمان وزن کردن این خودرو ها از لاستیک های هوای خشک استفاده می شود. همچنین به دلیل وجود محدودیت حداقل وزن در مقررات مسابقات، تیم ها وزنه هایی (Ballast) را برای افزایش وزن خودرو به آن اضافه می کنند، علت این کار این است که به دلیل اینکه می توان این وزنه ها را در هر جای دلخواه از خودرو قرار داد، مهندسان می توانند به توزیع وزن ایده آل دست پیدا کنند، همچنین می توان از این وزنه ها برای کاهش ارتفاع مرکز جرم خودرو و بهبود پایداری آن در مانورها استفاده نمود.

موتور

تا سال ۲۰۰۶ خودروهای فرمول ۱ برای یک دهه بود که از موتورهای بزرگ ۳ لیتری V10 در مسابقات استفاده می کردند. از این سال مقررات تغییر کرد و خودروها باید از موتور ۲/۴ لیتری V8 استفاده کنند. با تغییر قوانین قدرت تولیدی موتورهای فرمول ۱ کاهش پیدا کرد با این حال هنوز این موتورها قادر به تولید حدود ۹۰۰ اسب بخار قدرت هستند؛ برای درک بهتر این عدد می توان آن را با خودرو سمند که در حدود ۱۰۵ اسب بخار قدرت و یا حتی خودرو لندکروزر GXR V8 که ۳۸۱ اسب بخار قدرت تولید می کنند؛ مقایسه کرد. اما این خودروهای سواری شاید برای طی حداقل ۱۵۰٫۰۰۰ کیلومتر مسافت بدون مشکل طراحی شده باشند اما یک موتور فرمول ۱، بعد از طی مسافتی در حدود ۸۰۰ کیلومتر از رده خارج می شود. دلیل این امر این است که برای تولید چنین قدرتی، این موتورها در دروهای بالایی در حدود ۱۹۰۰۰ دور در دقیقه کار می کند (خودروهای سواری معمولی در حدود ۳۰۰۰ دور در دقیقه کار می کند) و موتوری که با چنین سرعت بالایی در حال کار است گرما و فشار زیادی را به اجزا متحرک خود وارد می کند که باعث می شود پس از پیمودن مسافت کوتاهی، موتور از حالت عملیاتی خارج شود. در مورد میزان دوام این موتورها در طول برگزاری هر دوره از مسابقات محدودیت ها و قوانینی تعیین می شود؛ به عنوان مثال در سال ۲۰۰۵ موتورهای خودروهای شرکت کننده باید دو سری از مسابقات آخر هفته را دوام می آورد و نباید موتور تعویض می شد و یا در مسابقات سال ۲۰۰۹، در طول فصل هر راننده مجاز به استفاده از حداکثر ۸ موتور در طول فصل بود.
همچنین سوختی که به این موتورها قدرت می دهد با سوخت های معمولی متفاوت است. در تولید سوخت این خودروها ترکیبی از تعداد محدود ۹ هیدروکربن مجاز می باشد و اکثر افزودنی های تقویتی در سوخت ممنوع شده است. در مجموع تیم های شرکت کننده در این مسابقات در حدود ۵۰ ترکیب سوختی را برای مسیرها و شرایط متفاوت مورد استفاده قرار می دهند. همچنین هر تیم در طول هر فصل در حدود ۲۰۰٫۰۰۰ لیتر سوخت را برای تمرین و مسابقات مصرف می کنند.

آیرودینامیک

خودروهای فرمول ۱ بیشتر معروفیت خود را مدیون طراحی خاص آیرودینامیکی خود هستند تا موتورهای قدرتمندشان. هر خودرویی برای حرکت در سرعت بالا، باید بتواند ۲ کار را به خوبی انجام دهد: اول مقاومت هوا را کاهش دهد؛ دوم ایجاد نیرویی رو به پایین به کمک هوای عبوری از اطراف خودرو. این کار باعث افزایش چسبندگی خودرو به زمین شود و در نتیجه پایداری و توان شتابگیری خودرو افزایش می یابد. برای رسیدن به این هدف خودروهای فرمول ۱ از سطوح آیرودینامیکی مختلفی استفاده می کنند. اولین ای سطوح باله ها هستند که برای اولین بار در دهه ۱۹۶۰، مورد استفاده قرار گرفتند. باله های به کار رفته در خودروهای فرمول ۱ وظیفه ای بر عکس بال های هواپیما دارند. بال ها با حرکت پر سرعت هواپیما نیروی رو به بالا ایجاد می کنند و هواپیما را به پرواز در می آورند در حالی که در خودرو های فرمول ۱ باعث ایجاد نیروی رو به پایین و چسبندگی بیشتر خودرو به زمین می شوند.
مهندسان شرکت لوتوس در دهه ۱۹۷۰ دریافتند که می توان با طراحی خاص شکل بدنه خودرو، کل بدنه آن را تبدیل به یک بال بزرگ نمود و با طراحی خاص زیر بدنه باعث خروج هوا و ایجاد خلا در زیر خودرو شوند و بدینوسیله باعث مکش بدنه به سمت زمین و چسبندگی فوقالعاده خودرو به سطح زمین شوند. به این پدیده نیروی “اثر زمین” گفته می شود که این طراحی بعد از مدتی توسط فدراسیون فرمول ۱ (FIA) ممنوع اعلام شد. سطح زیرین خودرو های امروزی باید از دماغه خودرو تا محور عقب خودرو صاف طراحی شود.
از اجزا آیرودینامیکی دیگری که در خودروهای فرمول ۱ به طور گسترده استفاده می شود می توان به دیفیوزر (Diffuser) و بارج بورد (BargeBoard) اشاره کرد که اولی به ایجاد هرچه بیشتر نیروی رو به پایین و دومی برای جهت دهی دلخواه حرکت هوا در اطراف خودرو مورد استفاده قرار می گیرند.

آیرودینامیک

نتیجه همه این مهندسی آیرودینامیک، تولید نیروی رو به پایینی در حدود ۲۵۰۰ کیلوگرم می باشد. وزنی چهار برابر وزن خود خودرو.
در خودروهای فرمول ۱ مدرن، به دلیل نیروی رو به پایین بسیار زیاد ایجاد شده حاصل از طراحی آیرودینامیکی، خودروها می توانند شتاب شگفت انگیز ۶ g (شش برابر شتاب جاذبه زمین) را در سر پیچ ها تحمل کنند.

تایرها

با دانستن این حقیقت که تنها سطح اتصال خودرو و جاده، سطحی به اندازه یک کف دست در زیر تایرهای خودرو است متوجه می شوید که شاید تایر مهم ترین جز یک خودرو باشد. در خودروهای فرمول ۱ برای رسیدن به حداکثر تماس و چسبندگی، تایرها از لاستیک هایی بسیار نرم با شیار های بسیار کم عمق ساخته می شوند. این مواد زمانی که گرم می شوند خاصیت چسبندگی فوق العاده ای ایجاد می کنند و نیروی بین سطح جاده و تایر را بدون لغزش و به بهترین شکل انتقال می دهند. به همین دلیل تیم های شرکت کننده تایرها را قبل از شروع مسابقه گرم می کنند. استفاده از مواد نرم در ساخت تایرها باعث کاهش دام این تایرها می شود به طوری که این تایرها حداکثر تا ۲۰۰ کیلومتر قابل استفاده خواهند بود در مقام مقایسه لاستیک های خودروهای معمولی تا مسافتی حدود ۸۰۰۰۰ کیلومتر قابل استفاده هستند؛ به همین دلیل در هر مسابقه فرمول ۱، ۲ تا ۳ بار لاستیک ها تعویض می شوند. که البته نحوه و سرعت این تعویض لاستیک در طول مسبقه، خود جز یکی از قسمت های شگفت انگیز این مسابقات است.

فرمان

خودروهای مدرن فرمول۱ یکی از پیچیده ترین خودروهایی هستند که تا به حال ساخته شده‌اند و وقتی چنین خودرویی در حال حرکت است، راننده نیاز به حجم عظیمی از اطلاعات و کنترل دارد. واقعا چه کسی می‌تواند در سرعت ۲۹۰ کیلومتر در ساعت، دستش را از روی فرمان بردارد تا مثلا دنده را عوض کند؟ فرمان خودروهای فرمول ۱، برای حل این مشکل به یکی از پیچیده‌ ترین سیستم‌ های کنترل جهان تبدیل شده است.

فرمان فرمول 1

خودروهای فرمول ۱ چندین و چند تنظیم قابل تغییر دارند – آنهم در حال حرکت، آنهم توسط شخص راننده! درست است که رابطه رادیویی خودرو و مرکز مهندسی تیم همیشه برقرار است و مهندسان اطلاعات کاملی از تمام جزییات ماشین دارند، ولی هر تغییری فقط باید توسط راننده انجام شود. چه این تغییر به تنظیمات گیربکس مربوط باشد و چه به تنظیم ترکیب سوخت و هوا و گشتاور خودرو. در یک مسابقه اصلا عجیب نیست اگر راننده چندین بار این تنظیمات را دستکاری کند؛ یادتان باشد که برداشتن دست از فرمان در سرعت ۲۹۰ کیلومتر، در یک جاده مارپیچ، دیوانگی محض است. این را اضافه کنید به تقریبا ۴۰۰۰ بار تعویض دنده توسط دو پدال کوچک پشت فرمان و یک پدال سوم برای درگیر کردن کلاج.
در نهایت یک ال سی دی ۴.۳ اینچی با رزولوشن ۴۸۰ در ۲۷۲ پیکسل می‌تواند تقریبا ۱۰۰ صفحه اطلاعات از دمای روغن تا دور موتور تا سرعت متوسط خودرو در این دور و دورهای باقی مانده را نمایش دهد.
این حجم از پیچیدگی می تواند قیمت این فرمان ها را تا ۵۰٫۰۰۰ دلار بالا ببرد!

سایر اجزا

خودروهای فرمول ۱ از سیستم تعلیق دو جناقی که بهترین ویژگی ها را در بین سیستم های تعلیق دارا می باشد استفاده می کنند. همچنین در سیستم های ترمز این خودرو ها از دیسک و صفحه های فیبر کربنی به جای چدن بهره می برند. دلیل این امر این است که ترمز این خودروها باید بتواند آن ها را در سرعت های بیش از ۳۰۰ کیلومتر بر ساعت مهار نماید و برای انجام این وظیفه نیاز به ویژگی های خاص اصطکاکی و دمایی دارد. به عنوان مثال این ترمز ها در دماهای بالاتر از ۷۵۰ درجه سانتیگراد بر خلاف اکثر فلزات که دچار ضعف در خواص خود می شوند، عملکرد بسیار خوبی از خود نشان می دهد.
تمام اجزا و سیستم هایی که به بررسی آنها پرداختیم در هماهنگی کامل به وسیله ماهرترین رانندگان جهان کنترل می شوند تا یکی از جذاب ترین رویدادهای هر سال جهان اتومبیل رانی را رقم بزنند.

 

مروری بر اعداد:

۴۰۰

(کیلومتر بر ثانیه) حداکثر سرعت ثبت شده برای خودروهای فرمول ۱

۱/۷

(ثانیه) زمان رسیدن از حالت سکون به سرعت ۱۰۰ کیلومتر بر ساعت

۵

تجربه شتابی ۵ برابر شتاب سقوط آزاد

۷۰۲

(کیلوگرم) حداقل وزن خودروهای فرمول ۱

۹۰۰

(اسب بخار) قدرت تولیدی موتورهای فرمول ۱

۵۰

تعداد انواع ترکیبات سوختی مصرفی در مسابقات

۲۰۰٫۰۰۰

(لیتر) میزان سوخت مصرفی هر تیم در طول یک فصل از مسابقات

۲۵۰۰

(کیلوگرم) وزن ایجاد شده بر روی خودرو توسط سطوح آیرودینامیکی آن

۶

تحمل شتاب جانبی تا ۶ g در سر پیچ ها توسط خودرو

۴۰۰۰

تعداد تعویض دنده در طول هر مسابقه

۵۰٫۰۰۰

(دلار) قیمت تمام شده ساخت فرمان پیشرفته یک خودرو فرمول ۱

درباره نویسنده

تیم تحریریه علمنا

دیدگاه شما چیست