Fiziğin Esir Aldığı Spor:
Formula 1

Her sezon milyonlarca insanı ekran başına kilitleyen, büyük heyecanlara sahne olan ve sporcular arasında acımasız rekabetin olduğu bir spor hayal edin. Her an her şeyin olabileceği yarış çizgisi geçilene kadar matematik ve fiziğin egemen olduğu bir spor. Bu yazımızda Formula 1 içindeki fizik kurallarını inceledik. Detaylar yazımızda.

A- A+

07.02.2022 tarihli yazı 3872 kez okunmuştur.

Formula 1 yarışlarının kökeni 1920’ler ile 1930’lar sırasında yapılan Avrupa Grand Prix yarışlarına dayanmaktadır. 2. Dünya Savaşı sonrasında Formula1 olarak anılmaya başlanmıştır. Yarışın ve organizasyon ismini anlaşılacağı üzere takımların yani üreticilerin ve sporcuların uyması gereken bazı kurallar ve formüllerden almaktadır. Bu formüller yarışı daha adil bir hale getireceği düşünüldüğü için önemlidir. Bu formül, teknoloji geliştikçe ve üreticiler arasındaki motor savaşları nedeniyle hem adaleti hem de sürücü güvenliğini sağlamak için sürekli olarak değişim içindedir. Formula 1'de yarışan araçlar hep açık teker ve tek sürücülü olarak tasarlanmıştır. Yarışlar tarihindeki ilk büyük değişim, motorların arka kısımdan ortaya alınarak hızlanma ve dönüş kabiliyetlerini artırmak olmuştur. Diğer büyük değişim ise araba tasarımlarında aerodinamiğin daha fazla yer edinmeye başlamasıydı. Özellikle sürtünmeyi azaltmak ve yere basma kuvvetini artırıcı ön ve arka kantlar ve ayrıca “yer etkisi” (ground effect) kullanımı içeren özellikler eklendi. Bu özelliklere yazımızda değineceğiz.

►İlginizi Çekebilir: Y ürümenin Fiziği

Formula 1’deki Fizik

Fiziksel olarak yeterince büyük olan her şeyde Newton’un yasaları karşımıza çıkmaktadır. Bu yüzden Formula 1 araçları da bu fizik yasalarına uymak zorundadır. Bu yasalar Brian Beckman tarafından temel yasalara uyarlanmıştır.

Birinci Yasa: Sabit hızda düz bir çizgide hareket eden bir araba, bir dış kuvvet tarafından etki edilmediği sürece bu hareketi sürdürecektir. Arabanın sonsuza kadar bu hareketi koruyamamasının nedeni yerin arabaya uyguladığı sürtünme kuvveti ve arabaya karşı oluşan hava sürtünmesidir.

İkinci Yasa: Bu yasa ünlü F = m*a denklemi ile ifade edilir. Burada F bir kuvvettir, m arabanın kütlesidir ve a arabanın ivmesi veya hareketindeki değişikliktir. Bu yasa, yarış arabalarının maksimum hareket değişimine sahip olması için güçlü ama bir o kadar da hafif olması gerektiğini açıklıyor. Fakat burada “formüller” devreye giriyor ve minimum motor ağırlığı her araba için 145 kg. olması gerektiği gibi kuralları belirtiliyor.

Üçüncü Yasa: Yarış arabasının zemine uyguladığı kuvvete karşılık zemin de eşit büyüklükte ve zıt bir kuvveti arabaya uygular. Frene bastığımızda durmamızın nedeni budur. Burada yarış arabası için önemli olan lastik seçimleriyle veya başka stratejilerle bu ters kuvveti azaltmak olacaktır.

Yere Basma Kuvveti (Down Force): Yere basma kuvveti aracın tekerlekleri üzerinde oluşan baskıyı artırarak aracın yolu daha iyi tutmasını sağlar. Bunu yapmanın yolu uçak kanatlarında geçerli olan Bernoulli prensibini kullanmaktır. Uçaklarda kanatların yapısı üst taraftan hızlı havanın geçmesini sağlayarak alçak basınç oluşturmak diğer taraftan alt tarafta havanın yavaş geçmesi yüksek basınç noktası oluşturur, yüksek basınçtan alçak basınca geçen hava kaldırma kuvveti uygular(Lift Force).

Bunun tam tersi mantıkta çalışan yarış arabasının ön ve arka kanatları ise arabanın altından hızlı havanın geçmesini sağlayarak alçak basınç noktası oluşturup yukarıda yavaş hava nedeni ile oluşan yüksek basıncın arabayı aşağı doğru bastırmasını sağlamaktır(Down Force).

►İlginizi Çekebilir: Aerodinamiğin Otomobillere Etkileri

Havanın aşağıda hızlandırma işlemi difüzör(diffuser) denen bir parça ile yapılır. Bunun sonucu olarak Bernoulli Kanunu sayesinde araçtaki toplam down force %70 oranında sağlanacaktır. Bu yüzden modern F1 araçlarında kanat bileşenleri çok önemlidir.

►İlginizi Çekebilir: U çaklar Nasıl Uçar? |2. Bölüm

Sürükleme (Drag): Drag; akışkanlar mekaniğinde bir cismin, bir akışkan içindeki hareketine gösterdiği direnç olarak tanımlanır. Yani, havanın Formula 1 aracına karşı gösterdiği dirençtir. Burada amaç bu direncin olabildiğince azaltılmasıdır. Bundan dolayı F1 araçları Drag Reduction Systeme (DRS) sahiptirler. Aracın ve sürücünün tüm elemanları buna göre tasarlanmalıdır. Hava yüzeye ne kadar dağınık bir şekilde çarparsa direnç o kadar artar burada pilotun kaskının yapısının bile önemi vardır.

Enerji Geri Kazanımı

Motor sporlarından bahsederken enerjiden bahsetmemek olmaz herhalde çünkü bütün bu araç tasarımı yakıt olmadan anlamsızdır. Bu rekabetçi sporda yakıtı verimli şekilde kullanmak önemlidir. F1 araçlarında hareketi sağlayan asıl bileşen 1.6 litrelik turbo V6 motordur. Bu motor 2014 verilerine göre 750-800 beygirlik güç üretebiliyor. Fakat bunun yanında ekstradan güç sağlayan ve atık enerjiden elde edilen 160 beygirlik önemli bir güce sahiptir. Modern araçların en önemli özelliklerinden birisi haline gelen enerjinin geri kazanımı sistemleri araç performansını ve yakıt verimliliğini artırmıştır.

1) Kinetic Energy Recovery System (KERS): KERS frenleme esnasında oluşan atık enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Tur başına yaklaşık 6,67 sn. kadar 60 kW fazladan güç sağlar.

2) Energy Recovery System (ERS): KERS teknolojisinin güncellenmiş bir sürümüdür. Sistem, Motor Jeneratör Ünitesi (MGU) olarak bilinir kinetik (MGU-K) ve ısı (MGU-H) olmak üzere iki enerji geri kazanım yöntemini içerir. MGU mekanik veya ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. MGU-K aktarma organlarına 120 kW kadar güç verebilir. MGU-H, motorun turbo şarjına bağlı olan ve egzoz gazlarından gelen ısı enerjisini elektrik enerjisine çeviren bir enerji geri kazanım sistemidir.

Sonuç olarak bizleri ekran başında heyecan içinde bırakan, bu cesaret isteyen spor aslında günlük hayatta bizleri de etkileyen bazı fizik kurallarına göre işlemek zorunda. Sadece bu kurallar etrafında özenle birleştirilmiş teknoloji sayesinde bizleri büyülüyorlar. Son olarak yarış araçlarının altında yatan fizik kurallarını daha detaylı okumak isteyenler için ek bölümündeki Brian Beckman’ın “The Physics of Racing Series” isimli yazısı okunabilir.

Kaynaklar:

►ffden-2.phys.uaf.edu/webproj/212_spring_2014/Brian_Cook/index.html - Asıl Kaynak

►The Physics of Racing Series – Brian Beckman