Downforce แรงกดมหัศจรรย์ของ Formula One

Posted by : Fascinator.

●   Downforce คืออะไร? อาจจะมีคุณผู้อ่านบางท่านสงสัยนะครับ Downforce ก็คือแรงกดที่เกิดขึ้นกับตัวรถเมื่อมีอากาศมาปะทะ สำหรับรถ Formula 1 นั้น Downforce เป็นสิ่งที่สำคัญมาก สัปดาห์ที่แล้วคุณผู้อ่านอาจจะได้เห็นบทสัมภาษณ์ของ Lewis Hamilton ที่บอกว่า เขาต้องการ Downforce มากกว่านี้ให้กับรถของเขา… เมื่อมี Downforce มากขึ้นรถก็จะเกาะถนนยิ่งขึ้น เนื่องจากมีแรงกดมากดรถให้แนบไปกับพื้น วิ่งไม่หลุดโค้ง และเมื่อรถสามารถเข้าโค้งได้เร็วขึ้น ย่อมหมายถึงรถคันนั้นสามารถทำเวลาต่อรอบได้เร็วขึ้นนั่นเอง

●   วันนี้เรามาลองทำความเข้าใจเรื่อง Downforce กันแบบสั้นๆ เข้าใจง่ายๆ กันครับ

●   คุณผู้อ่านยังจำชื่อของชายคนหนึ่งที่เห็นผลแอปเปิลหล่นลงมาจากต้นได้ไหมครับ เหตุการณ์นั้นทำให้เขาค้นพบ ‘แรงโน้มถ่วง’ ในเวลาต่อมา ใช่แล้วครับ ชายคนนี้มีนามว่า Isaac Newton และชายคนนี้ก็ได้ค้นพบความจริงเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวัตถุต่างๆ บนโลกนี้ เขานำความจริงที่เขาค้นพบมาเขียนสรุปเป็นสมการทางคณิตศาสตร์สั้นๆ ได้เป็น:

●   แรงที่เกิดขึ้น = มวล (น้ำหนัก) x ความเร่ง (นาย Fas: มันคือกฎข้อ 2 ของนิวตันนั่นเอง)

●   หรือก็คือ มี 2 ตัวแปรอันได้แก่ มวล กับ ความเร่ง ที่จะทำให้เกิดแรงขึ้น

●   ในกรณีที่รถเข้าโค้ง แรงที่เกิดขึ้นจะเกิดจาก ‘ความเร่งหนีศูนย์กลางโค้ง’ เนื่องจาก มวล หรือ น้ำหนักของรถ นั้นมีค่าคงที่ ขณะเดียวกัน รถไม่สามารถไถลหรือหนีออกจากโค้งเป็นเส้นตรงได้ นั่นหมายความว่ามีแรงอีกแรงหนึ่งมาช่วยดึงไม่ให้รถไถลออกจากโค้ง (นาย Fas: กฎข้อ 3 ของนิวตัน) ซึ่งก็คือ ‘แรงเสียดทาน’ ที่ยางกระทำกับพื้นถนน

●   เมื่อมาปรับสมการในกรณีของรถเข้าโค้งให้เข้ากับสมการการเคลื่อนที่ เราจะได้พบความจริงว่า:

●   แรงเสียดทาน = ค่าสัมประสิทธิ์ความเสียดทานของยาง x น้ำหนักรถ

●   ตรงนี้แหละครับคือจุดสำคัญ เราไม่ต้องการเพิ่มน้ำหนักรถเพื่อเพิ่มแรงเสียดทาน เพราะนั่นหมายถึงเมื่อรถเกิดการไถลแล้ว รถจะไม่สามารถหยุดไถลได้ (นาย Fas: คราวนี้เป็นกฎข้อ 1 ของนิวตันครับ ชายคนนี้ค้นพบและวิเคราะห์มาแล้วทุกกรณี เก่งจริงๆ) ดังนั้นเราจึงเปลี่ยนจากการ ‘เพิ่มน้ำหนัก’ รถมาเป็น ‘เพิ่มแรงกด’ หรือ Downforce บนตัวรถแทน เพื่อเพิ่มแรงเสียดทานตามที่เราต้องการ

●   แล้วเราจะเพิ่ม Downforce บนตัวรถได้อย่างไร? ปีกหน้า และ ปีกหลัง ของรถ F1 จึงเกิดมาเพื่อสิ่งนี้

●   แล้วมันทำงานอย่างไร? ลองนึกภาพปีกของเครื่องบินดูครับ

●   จากภาพประกอบด้านบน เราจะเห็นว่าส่วนบนของปีกนั้นนูนขึ้น มีผลทำให้ส่วนบนของปีกมี ‘ความยาว’ หรือ ‘ระยะทาง’ มากกว่าส่วนล่างของปีก ดังนั้นในระยะทางที่ไม่เท่ากันนี้ การจะวิ่งไปให้ถึงจุดหมายพร้อมกัน คนที่วิ่งในระยะทางที่มากกว่า ก็ต้องวิ่งให้เร็วกว่าคนที่วิ่งในระยะทางที่สั้นกว่าจริงไหมครับ

●   เช่นเดียวกับอากาศที่ไหลผ่านปีกเครื่องบิน มันพยายามที่จะเข้าด้านหน้าปีก และออกด้านหลังปีกให้พร้อมกัน อากาศที่ไหลผ่านด้านบนปีกจึงไหลเร็วกว่าอากาศที่ผ่านด้านล่างปีก เมื่ออากาศไหลเร็วขึ้น มันจะทำให้ความดันอากาศบริเวณนั้นลดลง มันจึงเกิด ‘แรงยก’ หรือ Liftforce ที่ทำให้เครื่องบินทะยานขึ้นฟ้าได้ทั้งๆ ที่มีน้ำหนักตัวมหาศาล เพราะความดันด้านบนปีกมันน้อยกว่าความดันด้านล่างปีกนั่นเอง

●   ปีกรถ F1 ใช้หลักการเดียวกันกับปีกเครื่องบินครับ เพียงแต่กลับทิศทางของปีกเพื่อให้เกิด Downforce แทน

●   นอกจาก ‘ปีก’ แล้ว ยังมีอุปกรณ์หลักอีกตัวที่นิยมใช้สร้าง Downforce ชื่อของมันคือ ‘Diffuser’ ครับ หลักการทำงานของมันก็เหมือนกับปีก F1 คือมันจะช่วยไล่อากาศจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่งให้เร็วขึ้น

●   Diffuser มีลักษณะเป็นแผ่นเรียบบางติดกับใต้ท้องรถ และในส่วนบริเวณท้ายรถจะมีแผ่นตั้งฉากกับแผ่นเรียบ ติดด้วยระยะห่างที่อาจจะเท่ากัน หรือไม่เท่ากันก็ได้ ซึ่งมันจะทำให้เกิดช่องแคบหลายๆ ช่องที่ใต้ท้องรถ เจ้าช่องแคบเหล่านี้จะช่วยให้อากาศที่ไหลมาถึงก่อนเข้าช่องแคบ ไหลผ่านออกไปด้วยความเร็วที่มากขึ้น ลองสังเกตเวลาที่เราไปยืนอยู่บริเวณประตู หน้าต่าง หรือบริเวณช่องระหว่างตึกสูงๆ 2 ตึกดูสิครับ ลมจะโกรกใส่ตัวเราแรงกว่าปกติ

●   นี่แหละครับหลักการทำงานของมัน เมื่ออากาศต้องไหลผ่านช่องแคบๆ จากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง เช่นเดียวกับอากาศไหลผ่านปีก มันจะพยายามไปให้ถึงจุดหมายให้พร้อมกัน ฉะนั้นอากาศที่ไหลผ่านช่องแคบๆ จะต้องไหลเร็วขึ้นเพื่อให้ออกไปอีกด้านให้เร็วที่สุด เมื่ออากาศไหลเร็วขึ้นจึงทำให้เกิด Downforce ขึ้นมา

●   และด้วยอุปกรณ์ที่ช่วยทางด้าน Aerodynamics เหล่านี้ ว่ากันว่า Downforce ที่ใช้กดรถ F1 นั้น มีแรงมหาศาลถึงขนาดที่ทำให้รถสามารถวิ่งไต่เพดานอุโมงค์ได้ที่ความเร็วตั้งแต่ 160 กิโลเมตร/ชั่วโมง เพราะแรงมหัศจรรย์ตัวนี้นั่นเองครับ   ●