විශ්මය දනවන “ෆෝමියුලා වන්” වායු ගතිකය

චලනය වන වායු අංශු, සහ ඒවා ඝන වස්තු සමග හැසිරීම පිළිබඳ අධ්‍යයනය “වායුගති විද්‍යාව” විදිහට හඳුන්වනවා. වායුගති විද්‍යාව ගුවන් යානා නිෂ්පාදනයේ දී වැදගත් මාතෘකාවක් වනවා වගේම, වේගය සහ කාර්යක්‍ෂමතාව වැදගත් වන ඕනෑම වාහනයක් නිපදවීමේ දී ද සැලකිල්ලට ගැනෙනවා. ඊට අමතරව උස ගොඩනැගිලි ඉදිකිරිමේ දීත් වායුගතිකය ගැන සැලකිල්ලක් දැක්වීම අත්‍යවශ්‍ය යි. 

ෆෝර්මියුලා වන් කියන්නේ පැයට කිලෝමීටර 300කට ඉහළ වේගයකින් ධාවනයේ යෙදෙන, කාර්යක්ෂමතාව ඉහළින්ම වැදගත්වන ධාවන තරගාවලියක්. මේ තරගාවලියේ ස්වභාවය ගැන මුලික තොරතුරු අපි පසුගිය ලිපියකින් ගෙන ආවා.

(කියවන්න: ලොව වේගවත්ම රේස් තරගාවලිය “ෆෝමියුලා වන්” ගැන දැනගනිමු)

ෆෝමියුලා වන් ගැන කතා කරද්දී මුලින්ම සාකච්ඡා කළ යුත්තේ ෆෝමියුලා වන් මෝටර් රථය ගැන යි. ඒත් ඒක ඉතාම සංකීර්ණ මාතෘකාවක්. එනිසා එහි වායුගතිකය ගැන විතරක් මූලික හැඳින්වීමක් මේ ලිපියෙන් කියවන්න පුළුවන්. 

 

වායුගති විද්‍යාවේ මූලධර්ම

වායුගති විද්‍යාව කියන්නේ භෞතික විද්‍යාවේ එන වායු පිළිබඳ පරිච්ඡේදය. මේක ගැන මූලික දැනුමක් නැතිව ෆෝමියුලා වන් මෝටර් රථයක් ගැන කතා කරන එක තේරුමක් වෙන්නේ නැහැ. ඒ නිසා මේ මූලධර්ම සරලව වටහා ගැනීමට උත්සහ කරමු.

ලේලන්ඩ් ලොකු බස් එකක ඉදිරිපස පෙනුම මතක් කරගත්තොත් අපි දන්නවා තනිකරම බිත්තියක් නෙහ්? එතකොට ටොයෝටා ප්‍රයස් වගේ මෝටර් රථයක හැඩය ටිකක් මාලුවෙක්ගේ වගෙයි (අනාකූල යි). මේ දෙක දිහා බලන ඕනෑම කෙනෙකුට තේරෙනවා බස් එක වේගයෙන් ඉදිරියට යද්දී වාතයෙන් ලොකු බලපෑමක් වෙනවා කියලා. මොකද සුළං කපාගෙන යන හැඩයක් ඒකට නැහැ. කොටින්ම වයුගතික හැඩයක් නැහැ. ඒ නිසා බස් එකේ එන්ජිමෙන් දෙන ශක්තිය සුළං කපාගෙන යද්දී හානි වෙනවා. හැබැයි ප්‍රයස් එකේ හැඩය අනාකූල නිසා සුළංවලින් ලොකු ප්‍රතිරෝධයක් එන්නේ නැහැ. මේ විදිහට වායුගතික හැඩයක් ඇතුව වාහන හදන්නේ වායුගති විද්‍යා මූලධර්මවලින්. 

වාත ප්‍රතිරෝධය අඩුකරගන්න වගේම අමතර බලයක් ලබාගන්නත් වායුගති විද්‍යාව භාවිතා වෙනවා. උදාහරණයක් විදිහට ගුවන් යානා ගමන් කරන්නේ වාතයෙන් ලබාගන්නා එසවුම් බලයකින්. මේක මුලින්ම හඳුන්වලා දුන්නේ 1738 දී ඩැනියල් බර්නුලි කියන ගණිතඥයා යි. ඒත් එක්ක, සර් අයිසැක් නිව්ටන්ගේ “සෑම ක්‍රියාවකටම සමාන ප්‍රතිවිරුද්ධ ක්‍රියාවක් තියෙනවා” කියන තුන්වන නියමයත් ගුවන් යානයක එසවුම් බලය පැහැදිලි කරනවා.

බැලුම් බෝලයකට සුළං පුරවලා ඒකෙ කට විවෘත කළොත් වේගයෙන් සුළං පිටවෙනවා අපි දැකලා තියෙනවා. ඒ අවස්ථාවේ දී අතින් තද කරගෙන බැලුමේ කට තව කුඩා කළොත් සුළඟේ වේගය තවත් වැඩි වෙනවා. මේ සිද්ධිය ගුවන්යානා තටුවකත් සිද්ධ වෙනවා. ගුවන් යානයේ තටුවේ හරස්කඩක තියෙන්නේ අනාකූල හැඩයක්. රූපයේ පෙන්වන විදිහට ඒකෙ ඉහළ කොටසේ වක්‍රතාව වැඩි වෙන්න තමයි හදලා තියෙන්නේ. වක්‍රතාව වැඩි වෙද්දී වාතයට ගමන් කරන්න තියෙන ඉඩකඩ, තටුවේ පහත තියෙන ඉඩ ප්‍රමාණයට වඩා අඩු යි. කලින් බැලුම් බෝලයේ කට කුඩා වෙද්දී වාය අංශු වේගයෙන් ගියා වගේම, ගුවන් යානයක තටුවේත් පහළට සාපේක්ෂව ඉහළ වාතයේ වේගය වැඩිවෙනවා. වාතය වේගයෙන් යනවා කියන්නේ ඒ හරියේ වායු අංශු රැඳෙනවා අඩු යි. වායු අංශු රැඳීම අඩු නිසා වාතයේ පීඩනය අඩු වෙනවා. තටුවේ පහළ කොටසේ වෙන්නේ මේකේ අනික් පැත්ත. එතැන වාතයේ වේගය අඩු නිසා පීඩනය වැඩි වෙනවා. ඉතින් පීඩනය වැඩි තැන ඉඳන් පීඩනය අඩු තැනට වාතය ගමන් කරන්න බලනවා. එතකොට ගුවන් යානා තටුව මත ඉහළට බලයක් ඇති වෙලා ගුවන් යානය ඉහළට එසවෙනවා. මේක තමයි බර්නුලි නියමයේ සරල අදහස ගුවන් යානයක් ආදර්ශයෙන් පැහැදිලි කිරීම.

තිරස් දිශාවක ඇවිත් තටුව පසුකරගෙන යන වායු අංශු පහළට යොමුවෙන විදිය ඉහත රූපයේ පෙන්වලා තියෙනවා. එතැන දී නිව්ටන්ගේ තුන්වන නියමය ක්‍රියාත්මක වෙනවා. ගුවන් යානා තටුව වායු අංශු පහළට යොමු කිරීමට ප්‍රතිවිරුද්ධව, වාතය ගුවන් යානා තටුව ඉහළට යොමු කරනවා. ගුවන් යානා තටුව අනික් අතට සවිකළොත් (ඒ කිව්වේ වැඩි වක්‍රය යටට සිටින ලෙස) බර්නුලි නියමයට අනුව බලය ක්‍රියා කරන්නේ පහළට යි. ෆෝමියුලා රථයක පිටුපස සවිකරලා තියෙන වින්ග් එකෙන් කෙරෙන්නේ මේ විදිහට පහළට බලයක් (Downforce/ඩවුන් ෆෝර්ස්) ඇති කිරීම.

 

ෆෝමියුලා රථයක පසුපස වින්ග් එක

රියර් වින්ග් එක (පිටුපස තටුව) මඟින් පහළට ඇති කරන බලය, එහෙම නැත්තම් ඩවුන් ෆෝර්ස්, එක වැදගත් වෙන්නේ පිටුපස රෝද ධාවන පථයට බදා සිටීමට යි. මේ බදා සිටීම නිසා ඉහළ වේගයකින් වුණත් වංගුවක් ගැනීම පහසු කරවනවා. රථය මාර්ගයෙන් ඉවතට ලිස්සා යාම වැළකෙනවා. සරලවම කිව්වොත් “ග්‍රිප් එක” වැඩි කිරීම තමයි සිදුවෙන්නේ.

නිව්ටන්ගේ තුන්වන නියමය මෙහිදීත් ක්‍රියාත්මක යි. වින්ග් එක පසුකරගෙන යන වාතය යොමු වෙන්නේ ඉහළට නිසා වාතය මඟින් පහළට බලයක්‌ ඇති කරනවා. වින්ග් එක වැඩියෙන් ඉහළට යොමු කරොත් වාතය වැඩි වශයෙන් ඉහළට යොමුකරන්න පුළුවන්. එහෙම නම් රියර් වින්ග් එකේ ආනතිය වැඩි කරන විට පහළට ඇතිකරන බලයත් වැඩි කරගන්න පුළුවන්. නමුත් එය යම් සීමාවක් දක්වා විත රයි කරන්න ඉඩ ලැබෙන්නේ. එයට හේතුව වෙන්නේ ආනතිය වැඩිවෙලා එක මොහොතක දී වාතය වින්ග් එක මඟහැර යාමට පටන් ගන්න නිසා (Flow Separation). වාතය වැඩි ප්‍රමාණයක් වින්ග් එක දිගේ යැවීමෙන් විතර යි උපරිම බලයකට යා හැකි වන්නේ. ඒ නිසා ආනතිය පමණට වඩා වැඩි කිරීම නිසා ඩවුන් ෆෝර්ස් එක අඩුවෙනවා.

තනි වින්ග් එකක් භාවිතා කිරීම වෙනුවට, කොටස් කිහිපයකින් සමන්විත වින්ග් එකක් යොදාගැනීම වඩා වාසිදායක යි. කොටස් කීපයම අතරින් වෙන වෙනම වායු අංශු ගමන් කිරීම නිසා ඒවා වින්ග් එකෙන් වෙන්වී ගමන් කිරීමේ අවස්ථාව අඩු කිරීම මේකට හේතුව යි. හැකිතාක් දුරට වායු අංශු වින්ග් එකේ පෘෂ්ඨයට ඈඳා තබාගැනීමේ කාර්යය මේ කොටස් කීපයක් ඇති වින්ග්වලින් (Multi Element Rear Wing) කරනවා.

සුළි නිර්මාණය කිරීම

රියර් වින්ග් එකට වාතය එන්නේ රථයේ ඉදිරිපස සිට යි. එම වාතය ක්‍රමානුකූලව රියර් වින්ග් එකට යොමු කිරීමෙන් පමණ යි උපරිම ඩවුන් ෆෝර්ස් එකක් ලබාගන්න පුළුවන් වෙන්නේ. මේ යොමු කිරීමේ කාර්යය පහසු වෙන්න රථයට විවිධ හැඩයන් ලබා දී තිබෙනවා. නමුත් ඒවා ඔස්සේ රියර් වින්ග් එකට පැමිණෙන්නේ රථයේ පෘෂ්ඨය ඔස්සේ එන වායු අංශු විතර යි. වායු අංශු හැකිතාක් රථයේ පෘෂ්ඨයට ඈඳා තබාගැනීම මේ නිසා අත්‍යවශ්‍ය කටයුත්තක්. සුළි නිර්මාණය කිරීමෙන් කරන්නේ මේ කාර්යය තමයි. එසේ නොකළොත් රථය මත පිටුපසට බලයක් ක්‍රියාත්මක වෙනවා.

පිටුපසට ක්‍රියාත්මක වෙන බලය හටගන්නා විදිය මුලින් පැහැදිලි කරගනිමු. රියර් වින්ග් එකෙන් හෝ රථයේ පෘෂ්ඨයෙන් වායු අංශු වෙන් වෙනකොට ඇතිවන හිඩැස් ප්‍රදේශයේ වාතයේ හැසිරීම කැළඹිලිකාරී වනවා. මේක “ටර්බියුලන්ට් වායු ධාරාවක්” විදිහට යි හඳුන්වන්නේ. වාතය ඒ විදිහට හැසිරීම නිසා විශාල අඩු පීඩන කලාපයක් නිර්මාණය වෙනවා. එවිට වැඩි පීඩනයේ ඉඳන් අඩු පීඩනයට වාතය ගමන් කිරීම නිසා රථය මත පසුපසට ඇදීමක් සිදුවනවා. මෙය හඳුන්වන්නේ “ඩ්‍රැග් එක” විදිහට. වායු අංශු හැකිතාක් රථයේ පෘෂ්ඨයට ඈඳා තබාගැනීමෙන් විතර යි මේක අඩු කරගන්න පුළුවන් වෙන්නේ.

 

සුළි නිර්මාණය කිරීම සඳහා යොදාගන්නෙත් කුඩා වින්ග් කොටස්ම යි. මේවා රථයේ බඳෙහි තැනින් තැන දකින්න පුළුවන්. පහත රූපයෙන් දැක්වෙන්නේ එවැනි කුඩා කොටස්වලින් ඇති කරන සුළි වායු ධාරා මඟින් වායු අංශු වැඩි ප්‍රමාණයක් පිටුපස වින්ග් එකට යොමු කරන ආකාරය යි.

වින්ග්වල උල්වූ කෙළවරේ දී වැඩි පීඩනයක් සහ අඩු පීඩනයක් සහිත වායු අංශු එකිනෙක හමුවෙනවා. ඒ සඳහා වැඩි පීඩන අංශු වෘත්තාකාර මාර්ගයක් ඔස්සේ අඩු පීඩන වායු අංශු වෙත ගමන් කරනවා. මෙය දිගින් දිගටම සිදුවීමෙනුයි සුළි නිර්මාණය වන්නේ.

 

 

ෆෝමියුලා රථයක ඉදිරිපස වින්ග් එක

ෆෝමියුලා වන් රථයක සංකීර්ණ ඉදිරිපස වින්ග් එක සියලු දෙනා දැක ඇති. මෙයින් කුඩා කොටසක් වෙන්වෙන්නේ ඉදිරිපස රෝද සඳහා අවශ්‍ය ඩවුන් ෆෝර්ස් එක ලබාදීමට යි. නමුත් එහි ප්‍රධානම කාර්යය වෙන්නේ රථයේ පෘෂ්ඨය දිගේ වායු අංශු ගමන් කරවීමට යොමු කිරීම යි. ඒ සඳහා සුළි හෙවත් වොර්ටිසස් නිර්මාණය කිරීම මෙමඟින් සිදුවෙනවා. ඉහත රූපසටහනේ දැක්වුණු ආකාරයටම ෆෝමියුලා වන් රථයක ඉදිරිපස කොටසේ දී වායු අංශු රථයේ පෘෂ්ඨය දිගේ ගමන් කරවීම මෙම ෆ්රන්ට් වින්ග් එකෙන් සිදුකෙරෙනවා.

ෆෝමියුලා රථයක රෝද විවෘත ලෙස යි පවතින්නේ. මේ නිසා රෝද කරකැවීමේ දී විශාල වශයෙන් අවට වාතය කැළඹීමට ලක්වෙනවා. කැළඹීමක් සහිත වාතය පසුපස වින්ග් එකට යොමු වුවොත් අවශ්‍ය ඩවුන් ෆෝර්ස් එක ලැබෙන්නේ නැහැ. මේ නිසා රෝද කරකැවීමෙන් නිර්මාණය වන කැළඹිලි වායු ධාරාවන් රථයෙන් ඉවත් කර තබාගැනීම අත්‍යාවශ්‍ය යි. එම කාර්යය සඳහාත් සුළි නිර්මාණය වැදගත් වනවා. මෙවැනි අවස්ථාවක සුළි වායු ධාරාවක් ක්‍රියාකරන්නේ ආවරණ බිත්තියක් වශයෙන්. ෆෝමියුලා වන් රථයක ඉදිරිපස වින්ග් එකෙන් මෙම සුළි ධාරා ද ඇති කරනු ලබනවා. 

 

විවිධ කණ්ඩායම් විවිධ ආකාරවලට ඉදිරිපස සහ පසුපස වින්ග් නිර්මාණය කරනවා. ඒවා එකිනෙකට වෙනස්කම් දැක්වුවත් ඒවායින් ඉටු කරගන්නා කාර්යය එක හා සමාන යි. විවිධ අත්හදාබැලීම්වලින් පසු මේවා වැඩි දියුණුකිරීම්වලට ලක්වෙනවා. ඉහළම ඩවුන් ෆෝර්ස් එකක් ලබාගැනීමේ අරමුණෙන් සියලු කණ්ඩායම්වල පර්යේෂකයන් දිවා රෑ වෙහෙසෙනවා. ඊට අමතරව වසර කිහිපයකට වරක් ෆෝමියුලා වන් සඳහා නීති රීති අලුත් වීම නිසා, මේ ඇතැම් වැඩි දියුණුකිරීම් තහනම් කිරීමත් සිදුවෙනවා. ඒ නිසා ඒවා නීතිරීතිවලට අනුකුලව සිදු කිරීමට සියලු කණ්ඩායම් වගබලාගත යුතු යි. නැතහොත් වසර කිහිපයක මහන්සිය සහ මිලියන ගණනක මුදල් පාඩු වීම වැළක්විය නොහැකි වනවා.

 

ෆෝමියුලා වන් රථයක වායුගතිකය ගැන තවත් වැදගත් කරුණු බොහොමයක් තියෙනවා. ඒ අතරින් එන්ඩ් ප්ලේට් එක, ඩිෆියුසර් එක, බාජ් බෝඩ්ස්, S – ඩක්ට් සහ DRS පද්ධතිය ගැන තොරතුරු කතා කරන්න තවත් ලිපියකින් බලාපොරොත්තු වෙනවා.