اصول آیرودینامیک اثر زمین در فرمول یک: تونل‌های ونتوری چگونه نیروی رو به پایین تولید می‌کنند

وقتی یک راننده فرمول یک، ماشینی به وزن ۷۹۸ کیلوگرم را با سرعت ۱۸۰ مایل بر ساعت (حدود ۲۹۰ کیلومتر بر ساعت) به یک پیچ پرسرعت می‌اندازد، زندگی و امیدهای قهرمانی او تماماً به هوای نامرئی وابسته است. خودروی مدرن فرمول یک فقط یک وسیله نقلیه نیست؛ بلکه یک جت جنگنده وارونه است که طراحی شده تا از جوّ برای کوبیدن لاستیک‌ها به آسفالت استفاده کند. برای تماشاگری که در خانه نشسته، نبرد ظاهراً روی سطح پیست در جریان است، اما جنگ واقعی در شکاف میلی‌متری و تنگ بین کف خودرو و زمین در حال وقوع است.[8]

این جنگ نامرئی توسط «اثر زمین» (Ground Effect) اداره می‌شود، یک فلسفه آیرودینامیکی که پس از چهار دهه ممنوعیت، در سال ۲۰۲۲ به این ورزش بازگشت. پیش از این، تیم‌ها برای فشار دادن خودرو به پایین، به شدت به بال‌های پیچیده روی بدنه و بارج‌بوردها متکی بودند، که این امر باعث ایجاد جریان‌های آشفته هوایی می‌شد و دنبال کردن نزدیک خودروها را تقریباً غیرممکن می‌ساخت. بازنگری مقررات، منبع اصلی نیروی رو به پایین را به زیر بدنه منتقل کرد و اساساً فیزیک نحوه تولید چسبندگی توسط یک خودروی فرمول یک را بازنویسی کرد.[3][4]

برای درک اثر زمین، باید نگاه کردن به بالای خودرو را متوقف کرده و به زیر آن نگاه کنید. کف یک خودروی مدرن فرمول یک یک صفحه تخت از فیبر کربن نیست. بلکه یک بال سه‌بعدی و عمیقاً حکاکی شده است که دارای کانال‌های عظیمی به نام «تونل‌های ونتوری» است. این تونل‌ها در طول زیر بدنه خودرو امتداد یافته و به عنوان یک سیستم وکیوم عظیم عمل می‌کنند که شاسی را به معنای واقعی کلمه به آسفالت می‌مکد.[1][2]

علم محرک این پدیده ریشه در «اصل برنولی» دارد که یک اصل اساسی در دینامیک سیالات است. هنگامی که یک سیال – در این مورد، هوایی که با سرعت ۲۰۰ مایل بر ساعت (حدود ۳۲۰ کیلومتر بر ساعت) از زیر خودرو عبور می‌کند – مجبور می‌شود از یک فضای محدود عبور کند، سرعتش افزایش و فشارش کاهش می‌یابد. همانطور که خودروی فرمول یک به جلو حرکت می‌کند، حجم عظیمی از هوا را به جلوی تونل‌های ونتوری می‌بلعد.[1][6]

همانطور که هوا به عقب حرکت می‌کند، تونل باریک‌تر می‌شود و جریان هوا را در نقطه‌ای خاص به نام «گلوگاه» فشرده می‌کند. این محدودیت، هوا را مجبور می‌کند تا به شدت شتاب بگیرد و یک منطقه با فشار بسیار پایین در زیر خودرو ایجاد کند. از آنجایی که فشار هوای محیط که از بالای خودرو به پایین فشار می‌آورد، اکنون بسیار بالاتر از فشار زیر آن است، کل خودرو با هزاران پوند نیرو به سمت پایین فشرده می‌شود.[2][7]

تولید این فشار پایین تنها نیمی از معادله است؛ هوا باید در نهایت بدون ایجاد اختلال شدید در جریان، از خودرو خارج شود. این وظیفه «دیفیوزر» است، رمپ عظیم و شیب‌دار رو به بالا در عقب کف خودرو. دیفیوزر به تدریج حجم تونل را گسترش می‌دهد، هوا را به آرامی کاهش سرعت می‌دهد و قبل از خروج از پشت خودرو، آن را به فشار محیط باز می‌گرداند. اگر هوا خیلی سریع منبسط شود، از سطح جدا شده و باعث توقف آیرودینامیکی و از دست دادن ناگهانی و فاجعه‌بار چسبندگی می‌شود.[7]

چالش نهایی برای متخصصان آیرودینامیک این است که این سیستم فشار پایین را «مهر و موم» نگه دارند. در اواخر دهه ۱۹۷۰، تیم‌ها از دامنه‌های کشویی فیزیکی استفاده می‌کردند که روی زمین کشیده می‌شدند تا هوا را به دام بیندازند. امروز، دامنه‌های فیزیکی ممنوع هستند، بنابراین مهندسان از خود هوا استفاده می‌کنند. با شکل‌دهی دقیق لبه‌های کف، آن‌ها گرداب‌های قدرتمند و چرخان هوا تولید می‌کنند که مانند دیوارهای نامرئی عمل کرده و تونل‌های ونتوری را از هوای محیط با فشار بالاتر جدا می‌کنند تا اثر مکش به حداکثر برسد.[3][5]

این تلاش برای مهر و موم کامل، منجر به تولد مشکل مهندسی تعیین‌کننده دوران کنونی شد: پرپوسینگ (Porpoising). از آنجایی که اثر زمین هر چه کف خودرو به پیست نزدیک‌تر باشد، به طور تصاعدی قوی‌تر می‌شود، تیم‌ها خودروهای خود را تا حد امکان پایین نگه می‌دارند. با این حال، اگر خودرو بیش از حد پایین بیاید، جریان هوا در گلوگاه تونل خفه می‌شود. فشار پایین از بین می‌رود، نیروی رو به پایین ناپدید می‌شود و سیستم تعلیق خودرو به شدت به بالا پرتاب می‌شود.[5]

به محض اینکه خودرو بالا می‌پرد، جریان هوا دوباره متصل می‌شود، نیروی رو به پایین باز می‌گردد و خودرو دوباره به سمت پیست مکیده می‌شود، فقط برای اینکه دوباره جریان هوا را خفه کند. این امر یک چرخه پرش خشن و با فرکانس بالا ایجاد می‌کند که می‌تواند رانندگان را از نظر فیزیکی آزار دهد و کف خودرو را بشکند. تسلط بر اثر زمین فقط در مورد تولید حداکثر نیروی رو به پایین نیست؛ بلکه در مورد ایجاد یک پلتفرم آیرودینامیکی پایدار است که هنگام شیرجه زدن خودرو زیر ترمز شدید یا غلتیدن در یک شیکین پرسرعت، متوقف نشود.[5][6]

مخاطرات این پازل دینامیک سیالات قرار است بار دیگر تغییر کند. فدراسیون بین‌المللی اتومبیل‌رانی (FIA) مقررات فنی ۲۰۲۶ را نهایی کرده است که یک پارادایم آیرودینامیکی کاملاً جدید را معرفی خواهد کرد. برای جبران تغییر در مقررات موتور، نهاد حاکم، خودروهای کوچک‌تر و سبک‌تر با کاهش قابل توجهی در نیروی رو به پایین و درگ کلی را اجباری می‌کند.[4]

قوانین ۲۰۲۶ کف اثر زمین را حفظ خواهند کرد، اما تونل‌های ونتوری قدرت کمتری خواهند داشت و دیفیوزر کمتر گسترده خواهد بود. نکته حیاتی این است که این امر با آیرودینامیک فعال (بال‌های متحرک جلو و عقب که رانندگان می‌توانند در حین حرکت تنظیم کنند تا در مسیرهای مستقیم درگ را کاهش داده و در پیچ‌ها چسبندگی را به حداکثر برسانند) همراه خواهد شد. تعامل بین این بال‌های فعال و تونل‌های ونتوری زیر بدنه، مرز بزرگ بعدی برای نخبگان مهندسی فرمول یک خواهد بود.[4]

در نهایت، تونل ونتوری شاهکاری از فیزیک کاربردی است. این پدیده، محیط آشفته و نامرئی جوّ را می‌گیرد و آن را به اراده راننده خم می‌کند و یک شاسی سبک وزن را به موشکی برای پیچیدن تبدیل می‌کند. در حالی که تیم‌ها میلیون‌ها دلار را صرف دینامیک سیالات محاسباتی و تست تونل باد می‌کنند، حقیقت اساسی فرمول یک بدون تغییر باقی می‌ماند: تیمی که هوا را بهتر درک کند، همیشه پیست را کنترل خواهد کرد.[1][5][8]