موضوع مقاله: اثر زمین (خودرو) | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # اثر زمین (خودرو) | مقدمه: در طراحی خودرو، اثر زمین به مجموعه‌ای از پدیده‌های آیرودینامیکی گفته می‌شود که برای ایجاد نیروی رو به پایین از طریق تونل‌های زیر بدنه و طراحی کف خودرو مورد استفاده قرار می‌گیرند. | ## بخش 1: اثر زمین (خودرو) | مجموعه بین‌المللی فرمول یک و خودروهای مسابقه آمریکایی ایندی‌کار در طراحی و مهندسی خود از اثر زمین بهره می‌برند. به‌طور مشابه، این فناوری در دیگر رقابت‌های ورزش موتوری (موتوراسپورت) نیز تا حدودی به کار گرفته می‌شود؛ با این حال، در بسیاری از مسابقات اروپایی، مقررات فنی (و در برخی موارد، ممنوعیت کامل) برای محدود کردن تأثیر آن به دلایل ایمنی وضع شدند. نظریه در خودروهای مسابقه، هدف اصلی طراح افزایش نیروی رو به پایین (داون‌فورس) و چسبندگی (Grip) است تا خودرو بتواند با سرعت بیشتری از پیچ‌ها عبور کند. بخش قابل توجهی از این نیروی رو به پایین از درک زمین به عنوان بخشی از سامانهٔ آیرودینامیکی خودرو حاصل می‌شود، و از همین‌رو به آن «اثر زمین» گفته می‌شود. از اواسط دههٔ ۱۹۶۰، استفاده از بال‌ها برای افزایش نیروی رو به پایین در طراحی خودروهای مسابقه به امری متداول تبدیل شد (هرچند این نوع نیرو مستقیماً به اثر زمین مربوط نیست). در ادامه، طراحان تلاش کردند تا با بررسی جریان هوا در اطراف بدنه، حاشیه‌ها (Skirts) و بخش زیرین خودرو، نیروی رو به پایین بیشتری با مقاومت هوای کمتر نسبت به بال‌ها تولید کنند. این نوع اثر زمین را می‌توان با مثالی ساده توضیح داد: اگر در یک روز بادی، پارچهٔ برزنتی را نزدیک زمین نگه دارید، مشاهده می‌شود که وقتی به اندازهٔ کافی به زمین نزدیک شود، به سمت پایین کشیده می‌شود. این پدیده بر اساس اصل برنولی توضیح داده می‌شود؛ هرچه پارچه به زمین نزدیک‌تر شود، سطح مقطع فضای میان آن و زمین کاهش می‌یابد. این امر باعث افزایش سرعت جریان هوا در این ناحیه می‌شود و در نتیجه، فشار زیر پارچه کاهش می‌یابد، در حالی که فشار بالای آن ثابت می‌ماند. اما زمانی که خودرو روی زمین حرکت می‌کند، لایهٔ مرزی روی زمین نقش مثبتی پیدا می‌کند. این حرکت باعث می‌شود که سطح زمین، هوای بالای خود را نیز به حرکت درآورد و سرعت جریان هوا در زیر خودرو افزایش یابد. این افزایش سرعت، اثر برنولی را تقویت کرده و در نتیجه نیروی رو به پایین بیشتری ایجاد می‌کند. با وجود آنکه در خودروهای مسابقه، تمام این روش‌های تولید نیروی رو به پایین اغلب تحت عنوان کلی اثر زمین شناخته می‌شوند، از دیدگاه علمی این پدیده دقیقاً همان اثر آیرودینامیکی نیست که در هواپیماها هنگام پرواز در ارتفاعات بسیار کم از سطح زمین مشاهده می‌شود. خودروی او در سال ۱۹۶۱ تلاش داشت از روش شکل‌دهی به زیر بدنه برای ایجاد اثر زمین استفاده کند، اما به دلیل مشکلات آیرودینامیکی متعدد، این سیستم به‌درستی عمل نکرد. در سال ۱۹۶۶، خودروهای او از بال‌های بلند و چشمگیر برای تولید نیروی رو به پایین بهره می‌بردند. این خودرو دو فن (Fan) در قسمت عقب داشت که توسط یک موتور دوزمانه مستقل به حرکت درمی‌آمدند. همچنین مجهز به دامنه‌هایی (Skirts) بود که تنها فاصله‌ای اندک میان بدنه و زمین باقی می‌گذاشتند تا فضای زیر خودرو از تماس با هوای بیرون جدا شود. هر چند چاپارال ۲جی هرگز مسابقه را پیروز نشد، اما اعتراض رقبا موجب شد که در پایان همان سال، استفاده از چنین سامانه‌هایی ممنوع شود. از آن زمان، دستگاه‌های آیرودینامیکی متحرک در بیشتر شاخه‌های ورزش‌های موتوری غیرقانونی اعلام شدند. این خودرو برای نخستین بار در فصل ۱۹۶۹ در شهر کوردوبا ظاهر شد و کارلوس روتمان و کارلوس پاسکوالینی رانندگان آن بودند. در همان سال، یک نمونهٔ مقیاس ۱/۵ از خودرو ساخته شد که در تونل باد کارخانهٔ نظامی هواپیما (FMA) که معمولاً در اختیار نیروی هوایی آرژانتین بود، آزمایش شد و کارایی اثر زمین را در آن مقیاس به‌طور کامل تأیید شد. | ## بخش 2: اثر زمین (خودرو) | در مدت حضور این خودرو در انگلستان، آن را به تونل کاتزبی (Catesby Tunnel) بردند و یک تحلیل کامل آیرودینامیکی توسط مهندس و استاد آرژانتینی سرخیو رینلند روی آن انجام شد. رینلند در این باره گفت: «ما همیشه فکر می‌کردیم که این خودرو اثر زمین دارد… زمانی که هِریبِرتو آن را در دانشگاه ملی کوردوبا آزمایش کرد، با مدل مقیاس ۱/۵، مقاومت هوای آن را بررسی نمود؛ مدلی که کاملاً دقیق بود و هیچ در یا دریچهٔ هوایی نداشت…» او افزود: «آزمایش‌هایی که در تونل کاتزبی انجام دادیم، بازده آیرودینامیکی بسیار بالای آن را نشان داد: در پیکربندی دم‌کوتاه، ضریب درگ (Cx) برابر با ۰٫۲۵ و در دم‌بلند، ۰٫۲۳ بود؛ تقریباً همان مقداری که هِریبِرتو در آن زمان به‌دست آورده بود.» ویلم توئت، یکی از متخصصان حاضر در این آزمایش‌ها، توضیح داد: «این خودرو بدنه‌ای نرم و روان در بالا و کفی تخت با یک دیفیوزر دارد که در زمان خود برتری قابل‌توجهی ایجاد می‌کرد. دیفیوزر آن نسبت انبساطی دارد که آن را به طرز چشمگیری به حداکثر نیروی رو به پایین قابل دستیابی نزدیک می‌کند. در تونل، خودرو با حسگرهای فشار در نقاط مختلف بررسی شد تا توزیع فشار پیرامون بدنه مشخص شود و نتایج به‌طور کامل نشان دادند که طراحی دقیقاً همان‌طور که طراح انتظار داشت عمل می‌کند.» این آزمایش‌ها با و بدون پیکربندی «دم‌بلند» ویژهٔ پیست‌های سرعت بالا و در شرایط واقعی یعنی با خودرو در حال حرکت و در دمای عملیاتی، انجام شدند و نتایج به دست آمده پایدار و قابل تکرار بودند. چند طرح در فرمول یک به راه‌حل نهایی اثر زمین که بعدها توسط لوتوس اجرا شد، بسیار نزدیک شدند. در سال‌های ۱۹۶۸ و ۱۹۶۹، تونی راد و پیتر رایت در شرکت بریتیش ریسینگ موتورز (BRM) در پیست و تونل باد، آزمایش‌هایی را با جعبه‌های جانبی آیرودینامیکی بلند (side panniers) انجام دادند تا جریان هوای متلاطم بین چرخ‌های جلو و عقب را بهبود دهند. در سال ۱۹۷۰، رابین هِرد (Robin Herd) از شرکت گروه مهندسی مارچ با پیشنهاد پیتر رایت، مفهومی مشابه را در خودروی فرمول یک مارچ به کار برد. با این حال، در هر دو خودرو جعبه‌های جانبی (sidepods) بیش از حد از سطح زمین فاصله داشتند و در نتیجه اثر زمین قابل توجهی ایجاد نشد؛ همچنین ایدهٔ بستن کامل فضای زیر بال به زمین در آن زمان هنوز توسعه نیافته بود. در همین دوران، در سال ۱۹۶۹، شان باکلی (Shawn Buckley) در دانشگاه کالیفرنیا، برکلی پژوهش خود را دربارهٔ آیرودینامیک زیر بدنهٔ خودرو آغاز کرد؛ این پروژه با حمایت مالی کالین چاپمن، بنیان‌گذار تیم لوتوس انجام شد. او نشان داد که با شکل‌دهی مناسب به زیر بدنهٔ خودرو می‌توان سرعت جریان هوا را در آن بخش افزایش داد، فشار را کاهش داد و در نتیجه خودرو را به سطح پیست فشرد. در رویکردی متفاوت، گوردون موری طراح تیم برابهام، در سال ۱۹۷۴ در خودروی برابهام بی‌تی۴۴اس از سدهای هوایی (air dams) در قسمت جلوی خودرو استفاده کرد تا از ورود هوا به زیر بدنه جلوگیری کند. او دریافت که این سدها به‌دلیل حرکت گهواره‌ای خودرو دچار فرسایش می‌شوند، بنابراین آن‌ها را کمی عقب‌تر نصب کرد و متوجه شد که در زیر خودرو ناحیه‌ای با فشار منفی ایجاد می‌شود که حدود نیروی رو به پایین تولید می‌کند. شرکت مک‌لارن نیز از طراحی مشابهی برای زیر بدنه در خودروی مک‌لارن ام۲۳ خود استفاده کرد. در سال ۱۹۷۷، تونی راد و پیتر رایت که در آن زمان به تیم لوتوس پیوسته بودند، خودروی لوتوس ۷۸ موسوم به «ماشین باله» (Wing Car) را بر پایهٔ ایده‌ای از کالین چاپمن، مالک و طراح لوتوس، توسعه دادند. طراحی رادیاتورهای نصب‌شده درون این جعبه‌های جانبی تا حدی از هواپیمای دی هاویلند موسکیتو الهام گرفته بود. تیم لوتوس در همان سال پنج پیروزی به دست آورد و در سال ۱۹۷۸ نیز در حال توسعهٔ مدل بسیار پیشرفته‌تر خودروی لوتوس ۷۹ بودند و توانست در دو مسابقه دیگر برنده شود. برجسته‌ترین رقیب لوتوس در فصل ۱۹۷۸ خودروی برابهام-آلفا رومئو بی‌تی۴۶بی، معروف به «خودروی فَن‌دار» (Fan Car)، بود که توسط گوردون ماری طراحی شده بود. فن بزرگ این خودرو در قسمت عقب و در امتداد محور طولی نصب شده بود و نیروی خود را از جعبه‌دندهٔ اصلی می‌گرفت. تیم برابهام برای دور زدن ممنوعیت استفاده از سامانه‌های متحرک آیرودینامیکی، اعلام کرد که هدف اصلی فن، خنک‌سازی موتور است و کمتر از ۵۰٪ جریان هوای آن برای ایجاد خلأ زیر بدنه استفاده می‌شود. این خودرو تنها در یک مسابقه شرکت کرد و نیکی لائودا با آن در جایزه بزرگ سوئد ۱۹۷۸ به پیروزی رسید. برتری فنی خودرو زمانی آشکار شد که سطح پیست بر اثر نشت روغن لغزنده شد؛ در حالی که سایر رانندگان مجبور به کاهش سرعت بودند، لائودا توانست به لطف نیروی رو به پایین فوق‌العادهٔ تولید شده، سرعت خود را افزایش دهد. | ## بخش 3: اثر زمین (خودرو) | حتی مشاهده شد که هنگام گاز دادن در حالت سکون، خودرو به سمت زمین فشرده می‌شود (Squat) که نشان‌دهندهٔ تأثیر مستقیم فن در ایجاد نیروی رو به پایین (داون‌فورس) بود.8W - Why? - Brabham BT46B مالک تیم برابهام، برنی اکلستون، که تازه به عنوان رئیس انجمن تیم‌های سازنده فرمول یک (FOCA) انتخاب شده بود، پس از تنها سه مسابقه با سایر تیم‌ها به توافق رسید تا خودرو از رقابت‌ها کنار گذاشته شود. با این حال، فدراسیون بین‌المللی اتومبیل‌رانی (فیا) به سرعت استفاده از «خودروی فَن‌دار» (Fan Car) را در فرمول یک ممنوع کرد. در مقابل، لوتوس ۷۹ با شش پیروزی و کسب قهرمانی جهان برای ماریو اندرتی و مقام دوم پس از مرگ (posthumous) برای رونی پیترسن برتری قاطع فناوری اثر زمین را نشان داد. در سال‌های بعد، سایر تیم‌ها طرح لوتوس را تقلید و بهبود دادند تا جایی که سرعت‌های عبور از پیچ به‌طور خطرناکی بالا رفت و در نهایت چند حادثهٔ شدید در سال ۱۹۸۲ رخ داد. یکی از خطرات اتکای بیش از حد به اثر زمین در پیچ‌ها این است که در صورت تماس کف خودرو با زمین، جریان هوا در زیر بدنه به شدت محدود می‌شود و اثر زمین تقریباً به‌طور کامل از بین می‌رود. اگر این اتفاق در میانهٔ پیچ رخ دهد، جایی که راننده برای چسبندگی در هنگام پیچ به این نیرو نیاز دارد، حذف ناگهانی آن می‌تواند باعث از دست رفتن کنترل و لغزش خودرو از مسیر شود. پس از چهل سال ممنوعیت، اثر زمین در فصل ۲۰۲۲ فرمول یک با مجموعهٔ جدیدی از مقررات دوباره بازگشت. اثر زمین در قالبی کارآمدتر در طراحی خودروهای ایندی‌کار نیز به کار رفت، هر چند به اندازهٔ فرمول یک گسترده نبود. برای مثال، خودروهای ایندی‌کار از دامنه‌های جانبی آب‌بندی‌کنندهٔ زیر بدنه (skirts) استفاده نمی‌کردند و همچنین ارتفاع بیشتری از سطح زمین داشتند. آن‌ها برای تولید نیروی رو به پایین (داون‌فورس) بیشتر به بال‌ها متکی بودند و در نتیجه تعادلی مؤثر میان نیروی آیرودینامیکی بالا و اثر زمین برقرار می‌کردند. معنی آن حرکت خودرو به سمت بالا و پایین است که در نتیجه افزایش و کاهش ناگهانی نیروی گرانش (نیروی رو به پایین) حاصل می‌شود. پرپوزینگ اصطلاحی است که برای توصیف نوعی ناپایداری خاص در خودروهای مسابقه با سامانهٔ «اثر زمین» به کار می‌رود. خودروهای مسابقه تنها کمی بیش از یک دهه بود که از شکل بدنه برای تولید نیروی رو به پایین استفاده می‌کردند، زمانی که خودروهای لوتوس ۷۸ و ۷۹ طراحی شده به دست کالین چاپمن نشان دادند که «اثر سطحی» آیندهٔ فرمول یک است. بر مشکل افزوده، تیم‌هایی که بیش از همه مشتاق دنبال‌کردن ایدهٔ اثر سطحی بودند، معمولاً همان تیم‌های بریتانیایی کم بودجهٔ موسوم به گاراجیستا (Garagista) بودند که پول چندانی برای آزمایش تونل باد نداشتند و تنها سعی می‌کردند طراحی موفق لوتوس را تقلید کنند (از جمله تیم‌های کاوسن و مرزاریو). این وضعیت منجر به پیدایش نسل جدیدی از خودروها شد که طراحی آن‌ها بیشتر بر پایهٔ حدس و تجربه بود تا دانش دقیق آیرودینامیکی؛ و همین امر آن‌ها را نسبت به تغییر زاویهٔ گام (Pitch) بسیار حساس می‌کرد. نتیجه آن بود که خودروها دچار نوسان رفت و برگشتی می‌شدند — گاهی بسیار شدید — به ویژه در سرعت‌های پایین. این حرکت نوسانی، که شبیه به حرکت رفت و برگشتی یک گرازماهی هنگام شنا و فرورفتن در آب است، منشأ نام این پدیده محسوب می‌شود. ترکیب این ویژگی‌ها با سیستم تعلیق بسیار خشک، موجب شد رانندگی با این خودروها تجربه‌ای به شدت ناخوشایند باشد. اثر زمین در اوایل دههٔ ۱۹۸۰ تا سال ۲۰۲۲ از فرمول یک به‌طور عمده ممنوع شد؛ با این حال خودروهای اسپورت گروه C و سایر خودروهای مسابقه تا مدت‌ها از پدیدهٔ پرپوزینگ رنج می‌بردند تا آن که دانش آیرودینامیک زیر بدنه پیشرفت کرد و طراحان توانستند این مشکل را به حداقل برسانند. در نخستین آزمون پیش فصل در بارسلونا پیش از آغاز فصل قهرمانی فرمول یک فصل ۲۰۲۲، جورج راسل هشدار داد که پرپوزینگ شدید می‌تواند موجب بروز مشکلات ایمنی شود. او بعدها اعلام کرد که در جریان جایزه بزرگ امیلیا رومانیا ۲۰۲۲ به دلیل این پدیدهٔ دچار درد قفسه سینه شده است. | ## جمع‌بندی | در جایزه بزرگ آذربایجان ۲۰۲۲ نیز لوییس همیلتون پس از پایان مسابقه برای خروج از خودرو با مشکل روبه‌رو شد، که آن نیز ناشی از پدیدهٔ پرپوزینگ بود.