نیروی رو به پایین

**نیروی رو به پایین** یا **داون‌فورس**  یک نیروی بالابر رو به پایین است که به وسیلهٔ ویژگی‌های آیرودینامیکی یک وسیله نقلیه ایجاد می‌شود. اگر وسیلهٔ نقلیه یک خودرو باشد، هدف از ایجاد داون‌فورس این است که با افزایش نیروی عمودی وارد بر چرخ‌ها، اصطکاک (چسبندگی) آن‌ها با سطح جاده بیشتر شود و خودرو بتواند با سرعت بالاتری حرکت کند. در مورد هواگردهای بال ثابت، هدف از ایجاد نیروی رو به پایین بر سطح افقی پایدارکننده، حفظ پایداری طولی هواگرد و فراهم کردن امکان کنترل آن در محور گام (pitch) است.

## اصول بنیادی
همان اصلی که به هواپیما اجازه می‌دهد با ایجاد بالابر از طریق بال‌های خود از زمین برخیزد، در جهت معکوس برای وارد کردن نیروی فشاری رو به پایین (داون‌فورس) به کار گرفته می‌شود تا خودروی مسابقه را به سطح پیست فشار دهد. به این پدیده «چسبندگی آیرودینامیکی» (aerodynamic grip) گفته می‌شود که باید آن را از «چسبندگی مکانیکی» (mechanical grip) متمایز دانست؛ چسبندگی مکانیکی وابسته به جرم خودرو، لاستیک‌ها و سیستم تعلیق است. ایجاد داون‌فورس به وسیلهٔ ابزارهای غیرفعال (بدون قطعات متحرک) همواره با افزایش پسار آیرودینامیکی (مقاومت آیرودینامیکی) (یا به عبارتی اصطکاک) همراه است؛ بنابراین تنظیم بهینهٔ آیرودینامیک خودرو معمولاً نوعی مصالحه میان داون‌فورس و پسار (drag) به شمار می‌رود.

تنظیم آیرودینامیکی خودرو بسته به نوع پیست مسابقه تفاوت زیادی دارد و به طول مسیرهای مستقیم و نوع پیچ‌ها وابسته است.
از آن‌جا که داون‌فورس تابع جریان هوای عبوری از روی بدنه و زیر خودرو است، مقدار آن با مجذور سرعت خودرو افزایش می‌یابد و تنها پس از رسیدن به سرعتی حداقلی اثر قابل توجهی ایجاد می‌کند. برخی خودروها آیرودینامیک ناپایداری دارند؛ به‌گونه‌ای که تغییر جزئی در زاویه حمله یا ارتفاع خودرو می‌تواند باعث تغییر زیاد در میزان داون‌فورس شود. در بدترین حالت، این پدیده می‌تواند به جای ایجاد نیروی رو به پایین، نیروی بالابر مثبت (Lift) تولید کند. برای نمونه، در مسابقه لمانز ۲۴ ساعته ۱۹۹۹، خودروی مرسدس-بنز سی‌ال‌آر با رانندگان مارک وبر و پیتر دامبرک هنگام عبور از برآمدگی پیست و در اثر دنبال‌کِشی آیرودینامیکی نامناسب، از زمین جدا شده، ۵۰ متر به بالا پرواز کردند و واژگون شدند.

دو جزء اصلی در طراحی خودروهای مسابقه که برای ایجاد داون‌فورس در سرعت‌های بالا به کار می‌روند عبارت‌اند از:
* شکل آیرودینامیکی بدنه و
* استفاده از ماهی‌واره‌ها.

در بیشتر رده‌های مسابقات خودرویی، استفاده از سامانه‌های آیرودینامیکی قابل تنظیم در حین مسابقه ممنوع است؛
مگر در هنگام پیت استاپ (توقف‌های تعمیرگاهی).

نیروی رو به پایین که توسط یک بال ایجاد می‌شود، معمولاً به صورت تابعی از ضریب برآر (Lift Coefficient) آن بیان می‌شود:

:F = -C_L \frac{1}{2} \rho v^2 A

اینجا:
* *F* نیروی رو به پایین (یکای SI: نیوتن)
* *C<sub>L</sub>* ضریب برآر
* *ρ* چگالی هوا (یکای SI: kg/m3)
* *v* سرعت برداری (یکای SI: m/s)
* *A* مساحت بال (یکای SI: متر مربع)، که مقدار آن به بازه و وتر بال بستگی دارد اگر مبنای مساحتِ دید از بالا برای *C<sub>L</sub>*، به‌کار رود، یا به دهانه و ضخامت بال اگر مبنای مساحتِ دید از روبه‌رو استفاده شود.
در محدوده خاصی از شرایط عملیاتی و زمانی که بال متوقف نمی‌شود، ضریب بالابر مقدار ثابتی دارد: سپس نیروی رو به پایین با مجذور سرعت هوا متناسب است.

در آیرودینامیک، معمول است که برای تعریف ضریب برآر، مساحت فرافکنی‌شدهٔ بال در نمای بالا به عنوان سطح مرجع استفاده شود.

## بدنه
شکل گرد و باریک‌شوندهٔ قسمت بالایی خودرو به گونه‌ای طراحی شده است که بتواند به آسانی هوا را بشکافد و مقاومت در برابر باد را به حداقل برساند. اجزای جزئی‌تر بدنه در بخش بالایی خودرو را می‌توان برای هدایت روان جریان هوا به سوی بخش‌هایی که نیروی رو به پایین (داون‌فورس) ایجاد می‌کنند (مانند بال‌ها، اسپویلرها یا تونل‌های زیر بدنه) افزود.

شکل کلی یک خودرو به بال یک هواپیما شباهت دارد. تقریباً تمامی خودروهای جاده‌ای به سبب همین شکل آیرودینامیکی، نیروی بالابر تولید می‌کنند. روش‌های گوناگونی برای خنثی سازی این نیروی رو به بالا به کار گرفته می‌شود. در نمای جانبی بیشتر خودروهای جاده‌ای، سپر جلو کمترین فاصله از زمین را دارد، سپس بخش میان دو محور جلو و عقب در ارتفاعی کمی بالاتر قرار می‌گیرد و سپر عقب معمولاً بیشترین فاصله از زمین را دارد. با چنین چیدمانی، هوایی که از زیر سپر جلو عبور می‌کند در مقطع عرضی باریک‌تری جریان می‌یابد و در نتیجه فشار کمتری پیدا می‌کند. مقدار بیشتری نیروی رو به پایین نیز از زاویهٔ بدنه خودرو ناشی می‌شود؛ بدین صورت که بدنهٔ خودرو با شیبی ملایم، جریان هوای زیرین را به سمت بالا هدایت می‌کند و این امر موجب افزایش فشار هوا بر سطح بالایی خودرو می‌شود، زیرا جهت جریان هوا نسبت به سطح، عمودتر می‌گردد. حجم فضای زیر خودرو بر فشار هوا تأثیری ندارد، زیرا برخلاف باور رایج این فضا بسته نیست. خودروهای مسابقه این اثر را با افزودن دیفیوزر در بخش عقب تقویت می‌کنند؛ دیفیوزر باعث می‌شود هوا در ناحیهٔ جلوی آن با شتاب بیشتری جریان یابد و فشار هوا در پشت خودرو افزایش یابد، که در نتیجه، تلاطم پشت خودرو (wake) کاهش می‌یابد. از دیگر اجزای آیرودینامیکی در بخش زیرین خودرو که به افزایش نیروی رو به پایین یا کاهش مقاومت هوا کمک می‌کنند می‌توان به باله‌ها و گردابه‌زاها (vortex generators) اشاره کرد.

برخی خودروها، مانند دلتاوینگ (DeltaWing)، فاقد بال هستند و تمامی نیروی رو به پایین خود را از طریق شکل بدنه تولید می‌کنند.

## ماهی‌واره‌ها (اِیرفُویل)
مقدار نیروی رو به پایین (داون‌فورس) تولید شده توسط بال‌ها یا اسپویلرهای یک خودرو، در درجهٔ نخست به سه عامل بستگی دارد:
* شکل آن قطعه، شامل سطح نسبت اندازه بال، نسبت منظری (Aspect Ratio) و سطح کلی آن،
* زاویهٔ قرارگیری (یا زاویه حمله) و
* سرعت حرکت خودرو.

سطح بزرگ‌تر موجب افزایش نیروی رو به پایین و در عین حال باعث افزایش نیروی پسار می‌شود. نسبت منظری بال، برابر است با نسبت عرض بال به وتر آن. در صورتی که بال به شکل مستطیل نباشد، نسبت منظری با رابطهٔ زیر بیان می‌شود: AR=b2/s، که در آن، (AR= نسبت منظری)، (b= دهانهٔ بال) و (s= سطح بال) است. افزایش زاویهٔ حمله (یا زاویهٔ تمایل) بال یا اسپویلر نیز نیروی رو به پایین بیشتری ایجاد می‌کند، که فشار بیشتری بر چرخ‌های عقب وارد کرده و در عوض، نیروی پسار را افزایش می‌دهد.

### جلو
عملکرد بالچه‌های آیرودینامیکی در جلوی خودرو دو هدف اصلی را دنبال می‌کند. این بالچه‌ها از یک سو نیروی رو به پایین تولید می‌کنند که چسبندگی تایرهای جلو را افزایش می‌دهد و از سوی دیگر جریان هوای عبوری به سایر بخش‌های خودرو را بهینه کرده یا اختلال در آن را به حداقل می‌رسانند. بال‌های جلوی خودروهای چرخ‌باز به‌طور مداوم دستخوش تغییر و بروزرسانی می‌شوند، زیرا داده‌های به دست آمده از هر مسابقه برای بهبود عملکرد آن‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد و طراحی آن‌ها متناسب با ویژگی‌های خاص هر پیست تنظیم می‌شود (به تصاویر بالا نگاه کنید). در بیشتر مسابقات، این بال‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شوند که حتی در طول خود مسابقه نیز بتوان زاویه و تنظیمات آن‌ها را هنگام سرویس خودرو تغییر داد.

### عقب
جریان هوای عبوری از بخش عقب خودرو تحت تأثیر عناصری همچون بال‌های جلو، چرخ‌های جلو، آینه‌های جانبی، کلاه ایمنی راننده، ورودی‌های هوای جانبی (Side pods) و خروجی اگزوز قرار دارد. این عوامل موجب می‌شوند که بال عقب از نظر آیرودینامیکی بازده کمتری نسبت به بال جلو داشته باشد. با این حال، از آنجا که بال عقب باید برای حفظ تعادل و پایداری خودرو در حین حرکت، بیش از دو برابر بال‌های جلو نیروی رو به پایین (داون‌فورس) تولید کند، معمولاً دارای نسبت منظری (Aspect Ratio) بسیار بزرگ‌تری است و اغلب از دو یا چند بخش تشکیل می‌شود تا میزان نیروی رو به پایین افزایش یابد. همانند بال‌های جلو، هر یک از این بخش‌ها معمولاً قابلیت تنظیم دارند و می‌توان آن‌ها را هنگام سرویس خودرو، چه پیش از مسابقه و چه در جریان آن، تغییر داد. این اجزا به طور مداوم مورد بررسی، تنظیم و اصلاح قرار می‌گیرند.

### بال‌ها در مکان‌های غیرمعمول
تا حدی در نتیجهٔ مقرراتی که با هدف کاهش نیروی رو به پایین (داون‌فورس) ناشی از بال‌های جلو و عقب خودروهای فرمول یک وضع شدند، چندین تیم تلاش کردند تا مکان‌های دیگری برای نصب بال‌ها بیابند. بال‌های کوچکی که در بخش عقبی ورودی‌های جانبی (Sidepods) خودرو نصب می‌شدند، از اواسط سال ۱۹۹۴ ظاهر شدند و تا سال ۲۰۰۹، در شکل دیگری، به‌طور تقریباً استاندارد روی تمامی خودروهای فرمول یک به کار می‌رفتند، تا آن که استفاده از این قطعات به‌طور کامل ممنوع شد. بال‌های دیگری نیز در نقاط مختلف خودرو نصب شده‌اند، اما این تغییرات معمولاً تنها در پیست‌هایی به کار می‌روند که نیاز به بیشترین نیروی رو به پایین دارند، به ویژه در پیست‌های پیچ در پیچ مجارستان و موناکو.

خودروی مک‌لارن مرسدس ام‌پی۱۰/۴ مدل ۱۹۹۵ یکی از نخستین خودروهایی بود که از «بال‌میانی» (Midwing) بهره می‌برد. این طراحی با استفاده از یک خلأ قانونی در مقررات، اجازه می‌داد بالی بر روی پوشش موتور نصب شود. پس از آن، تقریباً تمام تیم‌ها در مقطعی از چنین چیدمانی استفاده کردند، و در جایزه بزرگ موناکو ۲۰۰۷، به جز دو تیم، تمامی تیم‌ها از این نوع بال‌ها بهره گرفتند. این بال‌های میانی نباید با دوربین‌های نصب‌شده بر روی «حفاظ-غلت» (Roll-hoop) که به‌طور استاندارد بر روی همهٔ خودروها در تمامی مسابقات وجود دارند، یا با جریان‌سازهای «شاخ‌های-گاو» (Bull-horns) که نخستین بار توسط مک‌لارن و سپس توسط ب‌ام‌و سائوبر استفاده شدند، اشتباه گرفته شوند. وظیفهٔ اصلی جریان‌سازها، هموارسازی و هدایت جریان هوا برای افزایش کارایی بال عقب است، نه تولید نیروی رو به پایین.

گونه‌ای دیگر از این طراحی‌ها، «بال‌های-ایکس» (X-wings) بودند؛ بال‌های بلندی که در جلوی ورودی‌های جانبی نصب می‌شدند و از همان خلأ قانونی مشابه بال‌های میانی بهره می‌بردند. این بال‌ها نخستین بار توسط تایرل (Tyrrell) در سال ۱۹۹۷ استفاده شدند و آخرین بار در جایزه بزرگ سان مارینو ۱۹۹۸ به کار رفتند. تا آن زمان، تیم‌هایی مانند فراری، زاوبر، جردن گرند پریکس و چند تیم دیگر نیز از این طرح استفاده کرده بودند. با این حال، به دلیل ایجاد مانع در هنگام سوخت‌گیری و خطر احتمالی برای راننده در صورت واژگونی خودرو، تصمیم گرفته شد که استفاده از آن‌ها ممنوع شود.

تیم‌های فرمول یک در دوره‌های مختلف انواع دیگری از بال‌های اضافی را نیز آزمایش کرده‌اند، اما امروزه بیشتر تیم‌ها تلاش می‌کنند عملکرد بال‌های جلو و عقب را از طریق استفاده از جریان‌سازها (Flow Controllers)، مانند همان «شاخ-گاوهای» (bull-horns) یادشده که مک‌لارن معرفی کرد، بهبود بخشند.

## جستارهای وابسته
* معادله برنولی
* کیت بدنه
* خودروی فرمول یک
* چسبندگی (مسابقه اتومبیل‌رانی)
* اثر زمین (خودرو)
* نیروی برآر
* تونل باد

## منابع

## برای مطالعهٔ بیشتر
* Simon McBeath, *Competition Car Downforce: A Practical Handbook*, SAE International, 2000, 
* Simon McBeath, *Competition Car Aerodynamics*, Sparkford, Haynes, 2006
* Enrico Benzing, *Ali / Wings. Progettazione e applicazione su auto da corsa. Their design and application to racing car*, Milano, Nada, 2012. Bilingual (Italian-English)

## پیوند به بیرون
*Aerodynamics In Car Racing

رده:آیرودینامیک
رده:دینامیک خودرو
رده:واژه‌شناسی ورزش‌های موتوری