Αεροδυναμική κάθετη δύναμη (Downforce)

Η downforce είναι η καθοδική αεροδυναμική δύναμη που παράγει η ροή του αέρα πάνω και κάτω από ένα κινούμενο αυτοκίνητο, ώστε να το πιέζει στο οδόστρωμα. Πρόκειται ουσιαστικά για αεροδυναμική άνωση αντεστραμμένη: ενώ η πτέρυγα ενός αεροσκάφους σχεδιάζεται για να ανυψώνει, οι αεροδυναμικές επιφάνειες ενός αυτοκινήτου διαμορφώνονται ώστε να σπρώχνουν το αμάξωμα προς την άσφαλτο. Ο σκοπός είναι απλός αλλά καθοριστικός: επιβαρύνοντας περισσότερο τα ελαστικά χωρίς να προστίθεται πραγματική μάζα, η downforce τους επιτρέπει να μεταφέρουν μεγαλύτερες δυνάμεις στροφής, πέδησης και ελκτικής πρόσφυσης, χαρίζοντας υψηλότερες ταχύτητες στις στροφές και μικρότερες αποστάσεις ακινητοποίησης.

Η δύναμη γεννιέται από την ίδια αρχή που ανυψώνει ένα αεροπλάνο, δηλαδή από τη διαφορά πίεσης ανάμεσα σε δύο επιφάνειες. Μια πίσω πτέρυγα λειτουργεί ως ανεστραμμένη αεροτομή που επιταχύνει τον αέρα κάτω από την επιφάνειά της, δημιουργώντας χαμηλή πίεση από κάτω και υψηλότερη από πάνω, με αποτέλεσμα να ρουφά το πίσω μέρος προς τα κάτω. Κάτω από το αυτοκίνητο, ένα προσεκτικά διαμορφωμένο δάπεδο και ένας πίσω διαχύτης (diffuser) επιταχύνουν τη ροή μέσα από ένα στενό άνοιγμα και στη συνέχεια την εκτονώνουν, παράγοντας μια περιοχή χαμηλής πίεσης που τραβά ολόκληρο το κάτω μέρος του αμαξώματος προς τα κάτω, ένα ιδιαίτερα αποδοτικό φαινόμενο επειδή προσθέτει ελάχιστη αντίσταση. Τα μπροστινά splitter, τα dive planes και τα canard ισορροπούν το φορτίο ανάμεσα στους άξονες, ώστε το αυτοκίνητο να παραμένει σταθερό αντί να ελαφραίνει εμπρός ή να βαραίνει πίσω.

Για τον οδηγό το όφελος μεγαλώνει με την ταχύτητα, καθώς η αεροδυναμική δύναμη αυξάνεται περίπου με το τετράγωνο της ταχύτητας. Σε χαμηλή ταχύτητα μια πτέρυγα δεν κάνει σχεδόν τίποτα, αλλά σε αγωνιστικό ρυθμό μπορεί να πιέζει το αυτοκίνητο προς τα κάτω με δύναμη ίση ή μεγαλύτερη από το ίδιο του το βάρος, κάτι που αποτελεί την αφετηρία του γνωστού ισχυρισμού πως ορισμένα αγωνιστικά αυτοκίνητα θα μπορούσαν θεωρητικά να κινούνται ακόμη και ανάποδα σε μια οροφή. Αυτή η επιπλέον πρόσφυση επιτρέπει πιο όψιμη πέδηση, μεγαλύτερες ταχύτητες στο μέσο της στροφής και βελτιωμένη σταθερότητα σε υψηλές ταχύτητες, κρατώντας το αυτοκίνητο καρφωμένο στο οδόστρωμα εκεί όπου η μηχανική πρόσφυση από μόνη της θα το άφηνε να ολισθήσει ή να γίνει νευρικό.

Η downforce εξελίχθηκε δραματικά από τη δεκαετία του 1960, όταν οι πρώτες υποτυπώδεις πτέρυγες βιδώθηκαν στα μονοθέσια των Grand Prix. Η ανακάλυψη του φαινομένου εδάφους (ground effect) στη δεκαετία του 1970, που εκμεταλλεύεται το κάτω μέρος του αμαξώματος και όχι μόνο τις πρόσθετες πτέρυγες, μεταμόρφωσε τον μηχανοκίνητο αθλητισμό και αργότερα απαγορεύτηκε εν μέρει για λόγους ασφάλειας. Σήμερα οι ίδιες αρχές περνούν σταδιακά στα γρήγορα αυτοκίνητα δρόμου μέσα από σταθερά χείλη, ενεργά πίσω αεροτομές που αναπτύσσονται με την ταχύτητα και επίπεδα κάτω δάπεδα, ενώ κατηγορίες όπως η Formula 1 παράγουν το μεγαλύτερο μέρος της downforce από το δάπεδο και τον διαχύτη υπό αυστηρά ελεγχόμενους κανονισμούς.

Ο βασικός περιορισμός είναι ότι η downforce δεν προσφέρεται ποτέ δωρεάν: κάθε επιφάνεια που σπρώχνει το αυτοκίνητο προς τα κάτω ταυτόχρονα διαταράσσει τον αέρα και προσθέτει αεροδυναμική αντίσταση, αυξάνοντας την κατανάλωση καυσίμου και περιορίζοντας την τελική ταχύτητα. Γι' αυτό οι μηχανικοί επιδιώκουν την καλύτερη σχέση downforce προς αντίσταση και όχι τη μέγιστη downforce αυτή καθαυτή, ενώ πολλά αυτοκίνητα δρόμου χρησιμοποιούν ρυθμιζόμενα αεροδυναμικά στοιχεία που αποσύρονται στον αυτοκινητόδρομο. Η τέχνη της εξισορρόπησης πρόσφυσης και αντίστασης συνδέει άμεσα την downforce με την ευρύτερη αεροδυναμική, τους συντελεστές αντίστασης και άνωσης και τη μετωπική επιφάνεια.