Zrozumieć Formułę 1: Aerodynamika

Dziś rozpoczynamy nowy cykl zatytułowany "Zrozumieć Formułę 1". Mam zamiar przybliżyć wam i sobie techniczne aspekty bolidu Formuły 1. Mam nadzieję, że dzięki tej serii artykułów, będących tłumaczeniami opracowań z oficjalnej strony Formuły 1, będziecie mogli poznać odpowiedzi na najbardziej dręczące was pytania. Zaczynamy od chyba najważniejszej sprawy w F1 XXI wieku - aerodynamiki.


Współczesny samochód F1 ma tyle samo wspólnego z pospolitym myśliwcem odrzutowym, co i ze zwykłym samochodem drogowym. Aerodynamika stała się kluczem do sukcesu w tym sporcie i zespoły każdego roku wydają miliony dolarów na badania i rozwój w tej dziedzinie.

Projektant aerodynamiczny musi zadbać o dwie najważniejsze sprawy: wytworzenie siły dociskowej w celu przyciśnięcia opon bolidu do toru i zwiększenia przyczepności na zakrętach, oraz zminimalizowanie oporu powietrza, który zostaje wywołany przez turbulencje i spowalnia samochód.

Kilka zespołów zaczęło eksperymentować z podobnymi do obecnych skrzydłami pod koniec lat 60. Skrzydła samochodu wyścigowego działają na tej samej zasadzie co skrzydła samolotu, tylko że na odwrót. Powietrze przepływa z różną prędkością nad obiema stronami skrzydła (musi pokonać inny dystans wokół ich konturów) i to wytwarza różnicę ciśnień - zasada fizyki znana jako prawo Bernoulliego. Kiedy to ciśnienie próbuje się wyrównać, skrzydło próbuje się poruszać w kierunku niskiego ciśnienia. Samoloty używają swoich skrzydeł do wytworzenia siły nośnej, natomiast samochody wyścigowe do wytworzenia siły dociskowej. Nowoczesny samochód F1 jest zdolny do wytworzenia siły równej 3,5 G (siła grawitacji) dzięki dociskowi aerodynamicznemu. Teoretycznie oznacza to, że przy odpowiednio dużej prędkości mógłby jechać do góry nogami.

Wczesne eksperymenty z ruchomymi skrzydłami i wysokimi mocowaniami spowodowały kilka spektakularnych wypadków i dlatego na sezon 1970 wprowadzono przepisy ograniczające wielkość i umiejscowienie skrzydeł. Ograniczenia te ulegały ewolucji na przestrzeni lat, ale ich ogólna forma obowiązuje do dziś.


W połowie lat 70 został odkryty "efekt przyziemny" siły dociskowej. Inżynierowie Lotusa odkryli, że cały samochód może pełnić funkcję jakby odwróconego skrzydła, jeśli nada mu się odpowiedni kształt. Skorzystali w tym celu z właściwości zwężki Venturiego, profilując odpowiednio boki Lotusa 78, a następnie w modelu 79 całe nadwozie, co dało rewelacyjne efekty. Innym przykładem wykorzystania "efektu przyziemnego" był bolid Brabham BT46B zaprojektowany przez Gordona Murraya, który używał wielkiego wiatraka wchodzącego rzekomo w skład układu chłodzenia silnika do wysysania powietrza spod szczelnie obudowanego spodu samochodu, wytwarzając w ten sposób niesamowity docisk. Po protestach ze strony innych zespołów rozwiązanie to zostało zabronione już po jednym wyścigu. Później nastąpiły zmiany w przepisach ograniczające korzyści z "efektu przyziemnego" - najpierw zabroniono osłon używanych do utrzymania strefy niskiego ciśnienia, a potem wprowadzono wymóg "schodkowej podłogi".


Mimo tuneli aerodynamicznych do testowania bolidów w rzeczywistej skali i kolosalnej mocy obliczeniowej używanej w departamentach aerodynamicznych większości zespołów, głównym zadaniem aerodynamiki w F1 jest nadal to samo: wytworzyć maksymalną siłę dociskową przy minimalnym oporze powietrza. Główne skrzydła montowane z przodu i z tyłu samochodu mają różny profil w zależności od siły dociskowej wymaganej na danym torze. Ciasne, wolne tory takie jak Monako wymagają bardzo agresywnych profili skrzydeł - zobaczycie, że tylne skrzydła samochodów posiadają wówczas dwa osobne płaty (tyle elementów może mieć maksymalnie tylne skrzydło). Dla kontrastu na bardzo szybkich torach takich jak Monza skrzydło to składa się z minimalnej ilości elementów, aby zlikwidować opór i zwiększyć prędkość na długich prostych.

Każda pojedyncza powierzchnia współczesnego bolidu F1, od kształtu zawieszenia aż po kask kierowcy - ma swój wpływ na aerodynamikę, który trzeba brać pod uwagę. Rozproszone powietrze, kiedy przepływ "odrywa" się od karoserii, wytwarza turbulencje, który z kolei stwarzają opór i spowalniają samochód. Przyjrzyjcie się ostatnim bolidom i zobaczycie, że prawie tyle samo wysiłku wkłada się w zredukowaniu oporu, co w zwiększenie docisku - od pionowych końcówek zamontowanych na skrzydłach, zapobiegających formowaniu się zawirowań, aż do płatów dyfuzora zamontowanych nisko z tyłu, które pomagają w wyrównaniu ciśnienia szybciej płynącego powietrza pod spodem samochodu, gdyż inaczej z tyłu ciągnąłby się "balon" niskiego ciśnienia. Mimo to projektanci nie mogą stworzyć zbyt "śliskiego" samochodu, ponieważ musi być zapewniony dobry przepływ powietrza do rozproszenia dużych ilości ciepła, generowanych przez współczesne silniki F1.


Ostatnio większość zespołów F1 starała się naśladować opracowaną przez Ferrari "zwężoną talię", gdzie tył samochodu jest wąski i zarazem niski jak tylko się da. Powoduje to zmniejszenie oporu i jednocześnie zwiększa ilość powietrza dostępną dla tylnego skrzydła. Deflektory przymocowane do boków bolidu (barge boards) pomagają ukształtować przepływ powietrza i minimalizują ilość turbulencji.

Zmiany w przepisach wprowadzone po 2004 roku spowodowały, że specjaliści od aerodynamiki musieli stać się jeszcze bardziej pomysłowi. W celu zmniejszenia szybkości, FIA ograbiła bolidy z docisku poprzez podniesienie przedniego skrzydła, przybliżenie tylnego skrzydła do przodu i zmianę profilu tylnego dyfuzora. Projektanci szybko odzyskali jednak większość strat, poprzez zawiłe nowatorskie rozwiązania, jak choćby "rogi" McLarena MP4-20.

Źródło: Formula1.com

(Pomoc w tłumaczeniu: Marek Roczniak, konsultacja techniczna: Maciej Czapiński)