نگاهی به مهندسی عجیب ماشین‌های فرمول یک/ وقتی تلفیق مهندسی و جنون سرعت شگفتی می‌آفریند
به گزارش خبرنگار دانش و فناوری خبرگزاری دانشجو، در دنیای موتوراسپرت، هیچ‌چیز به اندازه یک ماشین فرمول یک (F1) نماد تلفیق بی‌نقص مهندسی پیشرفته و عطش سیری‌ناپذیر برای سرعت نیست. این ماشین‌ها که بیشتر به جت‌های جنگنده زمینی شباهت دارند تا خودرو، اوج دستاوردهای بشر در زمینه آیرودینامیک، علم مواد، و فناوری پیشرانه را به نمایش می‌گذارند. هر پیچ و مهره، هر منحنی روی بدنه و هر خط کد در نرم‌افزار آن‌ها، حاصل هزاران ساعت تحقیق و توسعه است تا تنها یک هدف را محقق سازد: شکستن مرزهای فیزیک و ثبت سریع‌ترین زمان ممکن در یک دور پیست. مهندسی فرمول یک، روایتی از جنون کنترل‌شده است؛ جایی که قوانین فیزیک نه به عنوان محدودیت، بلکه به عنوان چالشی برای غلبه نگریسته می‌شوند.
شاسی مونوکوک، قلعه‌ای سبک‌وزن از فیبر کربن
در قلب هر ماشین فرمول یک، سازه‌ای به نام "سلول بقا" یا شاسی مونوکوک قرار دارد. این بخش که کابین راننده را در خود جای داده، از لایه‌های متعدد کامپوزیت فیبر کربن ساخته شده که در کنار ساختار لانه‌زنبوری آلومینیومی یا نومکس (Nomex) قرار گرفته‌اند. نتیجه، سازه‌ای است که وزنی کمتر از یک انسان بالغ دارد اما می‌تواند در برابر ضربات سهمگین مقاومت کند.
این شاسی نه تنها ستون فقرات خودرو است که تمام اجزای دیگر مانند موتور، سیستم تعلیق و بال‌ها به آن متصل می‌شوند، بلکه مهم‌ترین بخش ایمنی خودرو نیز محسوب می‌شود.
مهندسی آن به قدری دقیق است که در تصادفات شدید، سایر قطعات خودرو ممکن است متلاشی شوند، اما این سلول بقا دست‌نخورده باقی می‌ماند تا جان راننده را حفظ کند.
آیرودینامیک، وقتی مهندسی هیولای نامرئی هوا را رام میکند
شگفتی واقعی ماشین‌های فرمول یک در توانایی آن‌ها برای کنترل جریان هوا نهفته است. برخلاف خودروهای عادی که تلاش می‌کنند هوا را با کمترین مقاومت بشکافند، هدف اصلی در F1 تولید "نیروی رو به پایین" (Downforce) است. این نیرو که توسط بال‌ها و کف خودرو تولید می‌شود، ماشین را به سطح پیست می‌چسباند و به آن اجازه می‌دهد با سرعتی غیرقابل‌تصور از پیچ‌ها عبور کند. در سرعت‌های بالا، نیروی رو به پایین تولید شده توسط یک ماشین F1 به قدری زیاد است که از نظر تئوری می‌تواند آن را به صورت وارونه روی سقف یک تونل به حرکت درآورد.
فلسفه آیرودینامیکی فعلی این خودروها بر پایه "اثر زمین" (Ground Effect) استوار است. دو تونل بزرگ که از زیر خودرو عبور می‌کنند (تونل ونتوری)، جریان هوا را سرعت می‌بخشند. طبق اصل برنولی، افزایش سرعت هوا به کاهش فشار آن منجر می‌شود. این اختلاف فشار بین زیر و روی خودرو، یک نیروی مکش قدرتمند ایجاد میکند که ماشین را به زمین می‌فشارد. بال‌های جلو و عقب نیز این فرآیند را تکمیل می‌کنند. بال جلو جریان هوا را برای ورود به تونل‌های زیرین آماده میکند و بال عقب ضمن تولید نیروی رو به پایین، پایداری بخش انتهایی خودرو را تضمین میکند. سیستم کاهش پسار (DRS) نیز نمونه‌ای از مهندسی هوشمندانه است؛ یک شکاف متحرک روی بال عقب که در مسیرهای مستقیم باز می‌شود تا با کاهش مقاومت هوا، سرعت نهایی را افزایش دهد.
موتورهای قدرتمند، قلب ۱۰۰۰ اسب بخاری با بازدهی باورنکردنی
شاید پیچیده‌ترین بخش مهندسی یک ماشین فرمول یک، واحد قدرت هیبریدی آن باشد. این سیستم بسیار فراتر از یک موتور احتراق داخلی ساده است. هسته اصلی آن یک موتور ۱.۶ لیتری V6 توربوشارژ است که به تنهایی قدرتی خارق‌العاده تولید میکند. اما جادوی اصلی در سیستم‌های بازیابی انرژی (ERS) نهفته است.
MGU-K (واحد ژنراتور موتور - جنبشی): این سیستم هوشمند، انرژی عظیمی را که در هنگام ترمزگیری به شکل گرما تلف می‌شود، مهار کرده و آن را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. این انرژی در باتری ذخیره شده و راننده می‌تواند با فشردن یک دکمه، حدود ۱۶۰ اسب بخار قدرت الکتریکی اضافی را برای سبقت‌گیری یا دفاع آزاد کند.
MGU-H (واحد ژنراتور موتور - حرارتی): این قطعه شگفت‌انگیز، انرژی حرارتی و صوتی گازهای داغ خروجی از اگزوز را که در موتورهای عادی کاملاً هدر می‌رود، به برق تبدیل میکند. علاوه بر این، MGU-H مستقیماً به توربوشارژر متصل است و با استفاده از انرژی الکتریکی، توربین را در دورهای پایین موتور فعال نگه می‌دارد. این کار پدیده "تأخیر توربو" (Turbo Lag) را به طور کامل از بین می‌برد و تضمین میکند که قدرت موتور همیشه به صورت آنی در دسترس است.
ترکیب این اجزا، واحد قدرتی با بیش از ۱۰۰۰ اسب بخار تولید میکند که بازده حرارتی آن بیش از ۵۰ درصد است. این یعنی بیش از نیمی از انرژی موجود در سوخت به نیروی محرکه تبدیل می‌شود؛ رقمی که این پیشرانه‌ها را به کارآمدترین موتورهای احتراق داخلی جهان تبدیل کرده است.
سیستم تعلیق، ترمز و فرمان، پیشروی دقیق روی پیست
مهندسی تعلیق در F1 یک هنر است. این سیستم نه تنها وظیفه جذب ناهمواری‌های پیست را بر عهده دارد، بلکه باید پلتفرم آیرودینامیکی خودرو را در تمام شرایط (ترمزگیری، شتاب‌گیری و پیچیدن) ثابت نگه دارد. کوچک‌ترین تغییر در ارتفاع خودرو می‌تواند جریان هوای زیر آن را مختل کرده و بخش بزرگی از نیروی رو به پایین را از بین ببرد.
به همین دلیل از سیستم‌های پیچیده میله فشاری (Push-rod) و میله کششی (Pull-rod) استفاده می‌شود که حرکات چرخ را به کمک‌فنرهای نصب‌شده در داخل شاسی منتقل می‌کنند.
ترمزها نیز از جنس کامپوزیت کربن-کربن هستند که قادرند دمایی بیش از ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد را تحمل کنند و نیروی ترمزی چنان شدیدی ایجاد می‌کنند که بدن راننده نیرویی معادل 5G را تجربه میکند. فرمان خودرو نیز یک مرکز کنترل پیشرفته است؛ راننده از طریق ده‌ها دکمه و سوئیچ روی آن، همه چیز را از توازن ترمز گرفته تا استراتژی استقرار انرژی هیبریدی مدیریت میکند.
در نهایت، ماشین فرمول یک یک اکوسیستم مهندسی‌شده است که در آن هر جزء برای کار در هماهنگی کامل با دیگر اجزا طراحی شده است. این تلفیق جنون‌آمیز سرعت و مهندسی دقیق، شاهکاری خلق کرده که نه تنها محدودیت‌های فناوری را جابجا میکند، بلکه نمایشی خیره‌کننده از توانایی انسان در تبدیل رویاهای جسورانه به واقعیتی ملموس و پرشتاب است.
