ดาวน์ฟอร์ซคืออะไร?

ดาวน์ฟอร์ซคืออะไร?

ลองยื่นมือออกไปนอกหน้าต่าง ยกมือให้แบนราบแล้วเอาฝ่ามือหงายลง แล้วลองเอียงมือขึ้นหรือลงเล็กน้อยในกระแสลม คุณจะสังเกตเห็นว่าการเอียงมือขึ้นจะทำให้ลมดันมือขึ้น และการเอียงมือลงจะทำให้ลมดันมือลง สิ่งที่คุณเห็นอยู่นั่นคือ “มุมการปะทะของกระแสลม” โดยพื้นฐานแล้ว คือ มุมของปีกเทียบกับกระแสลม ปีกเครื่องบินใช้มุมกาปะทะบวกเพื่อสร้างแรงยก เมื่อพลิกปีกกลับด้านและรักษามุมปะทะกระแสลมเป็นลบก็จะได้แรงกด 

แรงกด (Downforce) คือองค์ประกอบในแนวตั้งของแรงทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำต่อรถยนต์ เมื่อรถยนต์เคลื่อนที่ผ่านอากาศ แรงกดจะดันรถให้แนบติดลงสู่พื้น  อากาศพลศาสตร์ของรถยนต์ แรงกดมีสามแรง ได้แก่ แรงกดในแนวตั้ง แรงต้านเป็นแรงในแนวยาว และแรงด้านข้างเป็นแรงในแนวขวาง โดยมีโมเมนต์สามแบบที่กระทำรอบแกน 

แรงกด (Downforce) มีความสำคัญในแง่สมรรถนะการยึดเกาะของรถ ยิ่งเราสร้างแรงกดดันลงพื้นมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งเข้าโค้งได้เร็วขึ้นเท่านั้น การควบคุมรถก็จะดีขึ้น เมื่อระดับแรงกดเปลี่ยนไป ผู้ขับจะรู้สึกได้ถึงแรงกดภายใน การลดแรงกดจะทำให้รถเกิดอาการไถล  ท้ายรถส่ายไปมาหรือพร้อมระยกตัวเมื่อเจอเข้ากับกระแสลมหมุนวน  เมื่อมีแรงกดมากขึ้นจากชิ้นส่วนแอร์โรพาร์ทที่บังคับทิศทางของกระแสลมที่ไหลผ่านให้สร้างแรงกดตัวถัง รถจะแนบแน่นกับแทรคหรือผิวถนนมากขึ้น แต่เมื่ออยู่บนทางตรง อาจรู้สึกเหมือนมีร่มชูชีพมากางและถ่วงความเร็วอยู่ด้านหลังรถ แรงกดมีข้อเสีย คือ ยิ่งรถมีแรงกดมากเท่าไร แรงต้านก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น  ทำให้รถช้าลง และเพื่อให้ได้สมดุลที่เหมาะสมที่สุด ระหว่างแรงกดและแรงต้าน ทีมแข่งมักจะปรับมุมของปีกและตัวถังรถเพื่อสร้างการไหลเวียนของอากาศที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

เพื่อให้เห็นภาพว่ารถ F1 รุ่นใหม่สร้างแรงกดได้มากขนาดไหน ที่ความเร็วประมาณ 150 กม./ชม. รถแข่ง formula 1 จะสร้างแรงกดเท่ากับน้ำหนักตัวรถ (น้ำหนักขั้นต่ำของรถ F1 คือ 795 กก.) เมื่อถึงปลายทางตรงที่รถวิ่งด้วยความเร็วสูงสุด น้ำหนักของรถน่าจะมากกว่าน้ำหนักปกติสามถึงสี่เท่า

ส่วนใหญ่ เรามักคิดว่า ยิ่งเข้าโค้งเร็วเท่าไหร่ แรงกดก็ยิ่งสำคัญมากขึ้นเท่านั้น การขับทางตรง กลับเป็นจุดที่แรงกดทางอากาศพลศาสตร์มีมากที่สุด แต่เนื่องจากรถใช้เวลามากในความเร็วต่ำและปานกลาง จึงเป็นจุดที่รถ F1 สูญเสียเวลามากที่สุดในสนามแข่ง ดังนั้น แรงกดจึงมีความสำคัญ หากสามารถดันรถให้จมลงกับพื้นได้มากขึ้นในช่วงที่รถวิ่งด้วยความเร็วต่ำ การยึดเกาะและแรงฉุดลากที่ดีขึ้นในการเข้าและออกจากโค้งก็จะยิ่งมากขึ้น

ส่วนใดของรถที่สร้างแรงกดลง?

แรงกดส่วนใหญ่ที่รถ F1 สร้างขึ้นมาจากพื้นรถ  ปีกหน้าและปีกหลัง มีส่วนสำคัญในการสร้างแรงกดตัวถัง ทั้งสององค์ประกอบยังปรับระดับแรงกดได้ง่ายกว่า เพราะสามารถเปลี่ยนมุมปีกหน้าหรือความลึกและมุมของแฟลปปีกหลัง เพื่อให้ได้ระดับแรงกดที่แตกต่างกันในแต่ละสนามที่มีผังสนามแตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง 

แม้ว่าแรงกดตัวถังจะเป็นองค์ประกอบด้านอากาศพลศาสตร์ที่ชัดเจน แต่ตัวรถทั้งคันก็สามารถออกแบบให้สร้างแรงกดลงพื้นได้ พื้นผิวและชิ้นส่วนทุกชิ้นที่อากาศไหลผ่าน (ด้วยความเร็วสูง) ล้วนสร้างแรงกดลงในรูปแบบใดรูปแบบหนึ่ง เคล็ดลับสำหรับนักออกแบบด้านอากาศพลศาสตร์ คือ การทำให้ทุกองค์ประกอบทำงานประสานกัน เพื่อมอบสมรรถนะสูงสุดของรถ

ขั้นตอนแรกในการพัฒนาอากาศพลศาสตร์ คือ การเริ่มคิดเกี่ยวกับโครงสร้างการไหล โดยพิจารณาว่าเราต้องการสร้างโครงสร้างการไหลแบบใดรอบๆ รถ เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพหรือกำหนดเป้าหมายประสิทธิภาพให้ตรงกับคุณลักษณะเฉพาะของแทร็กนั้นๆ

เริ่มต้นด้วยการใช้พลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (CFD) เพื่อทดลองสร้างโครงสร้างการไหลของกระแสลมที่ผ่านเข้ามาปะทะกับตัวถัง โดยทำซ้ำรูปทรงเรขาคณิตสองสามแบบและดูว่าอะไรได้ผล จากนั้น หากได้ผลลัพธ์ตามที่ต้องการใน CFD วิศวกรจะตัดสินใจว่าจะเลือกแบบใดสำหรับการทดสอบอุโมงค์ลม

บนสนามแข่ง รถจะเคลื่อนที่ผ่านอากาศและวนรอบสนามแข่ง แต่ในอุโมงค์ลม ลมจะกลับทิศ ทำให้รถหยุดนิ่ง และเราเคลื่อนถนนใต้แบบจำลองและดึงลมมาทับ การจำลองนี้จำลองการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ระหว่างรถ ถนน และอากาศแบบเดียวกับที่เห็นบนสนามแข่ง เนื่องจากการทดสอบบนสนามแข่งใน F1 ยุคใหม่มีข้อจำกัดมาก อุโมงค์ลมจึงเป็นเครื่องมือสำคัญ

เนื่องจากข้อจำกัดด้านอากาศพลศาสตร์ของ F1 จำนวนเวลาทดสอบ CFD และ Wind Tunnel ที่แต่ละทีมจะได้รับจึงขึ้นอยู่กับอันดับของการแข่งขันใน Championship การจบในอันดับที่สูงขึ้นจะทำให้คุณมีเวลาทดสอบอากาศพลศาสตร์น้อยลงเมื่อเทียบกับอันดับที่ต่ำกว่า เมื่อทดสอบส่วนประกอบของระบบอากาศพลศาสตร์ในอุโมงค์ลมสำเร็จแล้ว ส่วนประกอบหรือชิ้นส่วนแอร์โรพาร์ท จะถูกส่งไปที่โรงงานผลิตของทีม เพื่อสร้างชิ้นส่วนอันใหม่และทำการส่งมอบ 

ปัจจัยภายที่ส่งผลต่อแรงกด?

ปัจจัยภายนอกที่สำคัญอย่างหนึ่งที่ส่งผลต่อประสิทธิภาพทางอากาศพลศาสตร์ของรถยนต์คือสภาพอากาศ โดยเฉพาะลม ลมมีความเร็ว  ดังนั้นการเปลี่ยนแปลงทิศทางหรือความเร็วลมจะส่งผลต่อการควบคุมรถ 

อีกปัจจัยสำคัญคือระดับความสูง ซึ่งส่งผลต่อความหนาแน่นของอากาศและปริมาณอนุภาคในอากาศ ในเม็กซิโก ระดับความสูงของที่ตั้งหรือภูมิประเทศนั้นอยู่สูงกว่าระดับน้ำทะเลมาก จึงมีความหนาแน่นของอากาศต่ำ ซึ่งหมายความว่ามีอนุภาคอากาศน้อยกว่าที่จะกดตัวถังรถ ในเม็กซิโก ทีมแข่งสามารถใช้วิงที่มีแรงกดสูงสุดแบบเดียวกับที่ใช้ในสนามโมนาโกหรือบูดาเปสต์ได้ แต่การจะสร้างแรงกดในระดับเดียวกับที่สนามมอนซา และสร้างความเร็วสูงสุดของฤดูกาลนั้นยากมาก ดังนั้น ในเม็กซิโก รถจะมีประสิทธิภาพที่แตกต่างออกไป  ความท้าทายอีกอย่างหนึ่งสำหรับการระบายความร้อนของรถก็คือ อากาศที่ไหลผ่านหม้อน้ำและช่องระบายความร้อนมีน้อยลง เพื่อลดอุณหภูมิของระบบที่มีความสำคัญ  เช่น ชุดจ่ายกำลังและเบรก  โดยทั่วไปแล้ว ในสนามเม็กซิโก ทีมแข่งจะนำระบบระบายความร้อนเพิ่มเติมเข้ามาเพื่อช่วยให้การนำพาความร้อนออกไปจากจุดที่มีอุณหภูมิสูงได้อย่างรวดเร็ว 

อาคม รวมสุวรรณ
E-Mail chang.arcom@thairath.co.th  
Facebook https://www.facebook.com/chang.arcom  
https://www.facebook.com/ARCOM-CHANG-Thairath-Online-525369247505358/