المواد المستخدمة في صنع سيارات الفورمولا

يمكن القول إن Formula One (F1) هي أشهر رياضة سباقات سيارات في العالم ، حيث يتابع السباقات ما يقرب من 10٪ من سكان العالم. نظرًا للمنافسة الشرسة داخل حلبات السباق التي تستضيف هذه الفعاليات ، إلى جانب الإجهاد البدني الملحوظ الذي تتعرض له المركبات أثناء السباق (حيث تصل سرعتها أحيانًا إلى 350 كم / ساعة) ، يجب تصنيع السيارات باستخدام أحدث المواد و تقنيات المعالجة المصممة بدقة عالية. في المقال التالي المواد المستخدمة في صنع سيارات الفورمولا.

ما الذي يهم في سباق السيارات؟

لفهم سبب تفضيل متسابقي السيارات لقطع غيار السيارات المصنوعة من ألياف الكربون ، علينا أولاً أن ندخل في عقلية متسابقي السيارات. كل ما يفعله المتسابق الآلي موجه نحو تحقيق شيء واحد ، (السرعة). حيث تفوز السرعة بالجوائز ، وتؤكد الجوائز على التفوق والتميز. يقوم السائق بنصف المهمة في تحقيق السرعة ، وتقوم السيارة بالنصف الآخر ، وهنا تأتي أجزاء ألياف الكربون.

نسبة الوزن إلى الطاقة

السيارة المثالية القادرة على تحقيق السرعة والفوز بسباقات السيارات خفيفة الوزن لكنها قوية. تتيح السيارة الخفيفة والقوية لميكانيكي سباقات السيارات جعل السيارة رشيقة بما يكفي لتجاوز الزوايا بسرعة. يمكن للسيارات الخفيفة والقوية أيضًا التفوق في المنافسة بشكل بسيط.

غالبًا ما يكون الفولاذ مناسبًا لتلبية احتياجات الوزن والطاقة لسباقات السيارات. ولكن في سباق يستخدم فيه الجميع نفس المواد ، توفر أجزاء ألياف الكربون تلك الميزة الإضافية اللازمة للحصول على أداء أفضل من السيارة.

لتحقيق السرعة ، تحتاج السيارات إلى محرك كبير. تميل المحركات الكبيرة إلى أن تكون ثقيلة جدًا مما قد يكون غير مفيد للسرعة. يمكن لوزن المحرك مع أجزاء السيارة الأخرى أن يجعل السيارة ثقيلة جدًا. من الممكن أن تتلاءم السيارة بقوة حصانية كافية لمواجهة وزنها. لكن هذا ينتهي به الأمر إلى إنشاء سيارة جيدة فقط للسير بسرعة على خطوط مستقيمة ولكنها سيئة في التنقل في المنعطفات.

الوضع المثالي في سباقات السيارات هو أن تكون السيارة خفيفة الوزن لكنها لا تزال قوية. السيارة الخفيفة والقوية ليست سريعة فحسب ، بل يمكنها التنقل بسرعة في الزوايا دون أن يفقد السائقون السيطرة عليها. وبالتالي ، تحتاج سباقات السيارات إلى الطاقة ولكنها لا تحتاج إلى الوزن الذي يأتي مع إضافة الطاقة من خلال الأجزاء الثقيلة ، وهنا يأتي دور ألياف الكربون.

دور عالم المواد.

يلعب علماء المواد دورًا حاسمًا في تصميم وتصنيع سيارة الفورمولا 1 ، حيث يضمنون أن المواد المختارة توفر للسائق أعلى درجات الأمان والكفاءة.

مكنت التطورات التكنولوجية في المواد سيارات الفورمولا 1 من أن تصبح أخف وزنًا وأكثر أمانًا وأسرع من أي وقت مضى.

على سبيل المثال ، كان إدخال الهيكل المركب المقوى بالألياف نقطة تحول رئيسية في تاريخ تطوير سيارات السباق F1. حيث تم تقديم مركبات ألياف الكربون لأول مرة في عام 1980 من قبل فريق McLaren F1 ، وتستخدم الآن على نطاق واسع في العديد من مكونات F1 يصل إلى ما يقرب من 85 ٪ من حجم سيارة F1 النموذجية يتكون منها!

ألياف الكربون والمركبات الأخرى.

تُستخدم عادةً مادتين أولية رئيسية ، وهي الرايون ، والبولي أكريلونيتريل ، لإنتاج ألياف الكربون. ومع ذلك ، فإن المركبات القائمة على الأكريليك شائعة أيضًا.

تساعد زيادة درجة حرارة المعالجة الحرارية (HTT) وتطبيق التوتر أثناء معالجة ألياف الكربون على زيادة معامل الألياف. وذلك لأن مورفولوجيا الألياف تبدأ في المحاذاة على طول محور الألياف عندما يزيد HTT. ل

على سبيل المثال ، تؤدي المعالجة الحرارية للألياف إلى أكثر من 1800 درجة مئوية (3272 درجة فهرنهايت) إلى ألياف معامل عالية وعالية جدًا ، بأقطار ألياف تبلغ حوالي 4.4 ميكرومتر.

كما ذكرنا ، تعتبر سلامة السائق مصدر قلق رئيسي لمصنعي سيارات الفورمولا واحد ، ويجب توخي الحذر عند التفكير في استخدام مواد معينة.

على سبيل المثال ، يكون الهيكل الأحادي المركب لسيارة F1 شديد الصلابة ، وهذه الصلابة تمكن من نقل الحمولة من نقطة التأثير إلى الهيكل ، مما يؤدي إلى امتصاص أحمال أعلى دون حدوث أضرار. ومع ذلك ، بمجرد أن يتجاوز الحمل في منطقة التأثير القوة المطلقة ، يمكن أن يتشوه المركب أو يمزق. لمواجهة ذلك ، تمت دراسة وتحسين خصائص امتصاص الطاقة للمركبات ، وذلك لزيادة سلامة السائق.

تشمل المواد الأخرى المستخدمة في صناعة سيارات الفورمولا 1 أليافًا بوليمرية مثل الأراميد والزييلون وخيوط البولي إيثيلين عالية التوجه. ومع ذلك ، يخسر الأراميد عند مقارنته بألياف الكربون ذات المعامل الوسيط العالي القوة ، إلى جانب الإيبوكسيات المقواة بالحرارة. لا يزال الأراميد إلزاميًا للاستخدام داخل الصفائح الطرفية للجناح الأمامي والتركيبات الديناميكية الهوائية الأخرى الموجودة في الطرف الأمامي للسيارة.

الزيلون عبارة عن ألياف قوية جدًا تتكون من جزيئات سلسلة قضبان صلبة من بولي (P-Phenylene-2  6-benzobisoxazole) (PBO). تعتبر اللوحة المدرعة Zylon المطلية من المتطلبات في الهيكل الأحادي لسيارات F1 ، من أجل إيقاف الاختراق وحماية السائق من الإصابات.

تُعرف خيوط البولي إيثيلين عالية التوجه بأسمائها التجارية "داينيما" و "سبكترا". تخصص هذه المادة هو إنتاج قوة عالية مقرونة بكثافة منخفضة للغاية ، ولكنها غير مناسبة لبيئات درجات الحرارة المرتفعة ، حيث تذوب عند درجة 133-136 درجة مئوية (271-277 درجة فهرنهايت). في معظم الحالات ، يتم نسج الهجينة من هذه المواد مع ألياف الكربون لاستخدامها في هياكل الصدمات.

المزيد من مكونات سيارات الفورمولا 1

أنظمة التعليق والتوجيه ونظام النقل يجب تزويد سيارات F1 بنظام تعليق نوابض تقليدي ، ويجب ربط كل عجلة بجسم السيارة بحبلين. يتم وضع الحبال داخل عضو تعليق منفصل ولها مرفقات خاصة بها في النهايات. تنص اللوائح على أن الحبال يجب أن تتمتع بقوة شد معينة حتى تكون قادرة على منع العجلات من السقوط من السيارة في حالة فشل التعليق أو وقوع حادث.

المحركات - يتم تنظيم المواد المستخدمة في تصنيع المحرك ومكوناته بشكل صارم. يجب أن تكون علبة المرافق وكتلة الأسطوانة مصنوعتين من سبائك الألومنيوم المصبوبة أو المشغولة. يجب عدم استخدام المواد المركبة.

وبالمثل ، يجب أن يصنع العمود المرفقي وأعمدة الكامات من سبائك حديدية ومكابس من سبائك الألومنيوم. الصمامات مصنوعة من سبائك تعتمد على النيكل أو الكوبالت أو الحديد أو التيتانيوم.

العجلات والإطارات - يجب أن تحتوي سيارات الفورمولا 1 على أربع عجلات مكشوفة ، مصنوعة من نفس المادة المعدنية. ينص الاتحاد الدولي للسيارات على استخدام سبائك المغنيسيوم لهذا الغرض.

ملخص

نظرًا لأن Formula 1 عبارة عن تجارة بمليارات الدولارات ، فإن علماء المواد سوف يخدعون السوق لاستكشاف طرق لتحسين المواد الحالية المستخدمة. المنافسة عالية ، حيث أن أي تقدم في هيكل أو مواد سيارة F1 سيعني أرباحًا ضخمة لفريق السباق ، فضلاً عن فرصة الفوز التي سوف تزيد بشكل كبير مما يعني أرباح طائلة.