Na niewiele tematów dyskutuje się w świecie F1 ostrzej niż o aerodynamice. Wyrażenia takie jak „brudne powietrze”, czy też „deflektor” stały się teraz częścią żargonu panującego w tym sporcie. Wcześniej znalazły się w nim takie słowa, jak „podsterowność” i „nadsterowność”, które dziś są używane na porządku dziennym. Ale dlaczego mała stłuczka może zadecydować o zwycięstwie lub porażce? Zapraszamy do lektury!

Z ust komentatorów możemy czasem usłyszeć, że "w wyniku kolizji został uszkodzony tylny dyfuzor, co oznacza że dla kierowcy wyścig się właściwie zakończył". Ale co tak naprawdę oznaczają te zdania, wyrażenia, słowa? Co tak naprawdę rozumiemy pod pojęciem aerodynamiki w F1?

Na pytania postawione we wstępie postara się odpowiedzieć Jonh Owen – ekspert w tej dziedzinie. W prostych słowach aerodynamika zajmuje się przepływem powietrza i tym jak reaguje ono na ciała w ruchu. Wiatrak i samolot są przykładami działania aerodynamiki. Na początku zespoły próbowały budować bolidy w taki sposób, by stawiały one jak najmniejszy opór powietrzu, przez które się „przebijały”. Im mniejszy opór, tym mniej mocy potrzebne jest by go pokonać.



Taki stan rzeczy utrzymywał się do lat 60. XX wieku, kiedy to zespoły zachłysnęły się fenomenem siły docisku. Inżynierowie zaczęli rozumieć, że poprzez zwiększenie siły nacisku na opony, były one w stanie generować więcej tarcia między nimi a podłożem. To przekładało się oczywiście na znacznie lepszą przyczepność. Dzieje się tak dlatego, że siła tarcia jest wprost proporcjonalna do nacisku na daną oś – w tym wypadku nacisk jest wywierany na opony. Inżynierowie nauczyli się, że dzięki temu prawu bolid może nie tylko szybciej pokonywać zakręty, ale także przekazywać więcej mocy na podłoże bez powodowania uślizgów.

Wytwarzanie siły docisku opiera się na dwóch starych jak świat teoriach: pierwsza jest autorstwa Newtona i mówi, że energia nie może być wytwarzana ani nie znika. Może być tylko przenoszona. Druga z nich to prawo Bernoulliego, które mówi że każdemu zwiększeniu się prędkości, a co za tym idzie ciśnienia dynamicznego, musi automatycznie towarzyszyć zmniejszenie się ciśnienia statycznego i na odwrót, przy każdym zmniejszeniu prędkości i ciśnienia dynamicznego, rośnie ciśnienie statyczne.

„Formuła 1 odwraca zastosowanie tych zasad w skrzydłach samolotów,” wyjaśnia John Owen, szef zespołu aerodynamicznego w Hondzie. „Prościej mówiąc, skrzydło F1 jest zaprojektowane tak, żeby powietrze szybciej przepływało pod dolną jego powierzchnią niż górną. To powoduje wzrost ciśnienia na górze w porównaniu do tego pod spodem. Dzięki powstającej w ten sposób różnicy ciśnień powstaje coś, co nazywamy właśnie siłą docisku.”

Aby lepiej zrozumieć te słowa, proponujemy wykonać proste ćwiczenie. Spróbujmy poruszać długopisem na biurku. Jeśli przyłożymy tylko boczną siłę, porusza się on bardzo łatwo. Jeśli natomiast dodatkowo naciśniemy na niego z góry i będziemy go przesuwać, zauważymy oczywiście pewien opór. Oznacza to, że nasz długopis ma większą „przyczepność.” To chyba jedna z najprostszych symulacji efektu siły docisku, który występuje w F1.

Ta stosunkowo prosta koncepcja staje się nieco trudniejsza w stosunku między siłą docisku a oporem powietrza, o którym wspomniano wcześniej. Jeśli w pewien sposób „upośledzimy” układ samochodu poprzez celowe zakłócenie przepływu strugi powietrza, wytworzy się opór, który z kolei znacznie ogranicza osiągi pojazdu na prostej. W latach 60. XX wieku obeszły ten problem poprzez zastosowanie ruchomych spojlerów. Ich kąt natarcia był większy podczas pokonywania zakrętów co powodowało generowanie większego docisku, a potem redukowano nachylenie na prostych, by zminimalizować opór powietrza.



Nie minęło jednak wiele czasu, kiedy w przepisach technicznych znalazł się zapis zabraniający używania ruchomych elementów aerodynamicznych. Od tego czasu zespoły F1 i ich kierowcy muszą znajdywać kompromis między siłą docisku, a oporem aerodynamicznym. Nie ma sensu prędkość na prostej bez szybkości w zakrętach i vice versa. To dlatego nadal słyszymy o ustawieniach dużej siły docisku na kręte tory (jak np. Monako) i małej siły docisku na szybkie (jak np. Monza).

W 1978 roku zespół Lotusa był przekonany, że rozwiązał problem, gdy inżynier Peter Wright odkrył tzw. efekt przyziemny. Dzięki bardzo niskiemu zawieszeniu i kontrolowaniu przepływu pod bolidem, Lotus był w stanie znacznie zwiększyć poziom przyczepności bez znacznego zwiększania oporu aerodynamicznego.

Bolidy wykorzystujące efekt przyziemny zostały zabronione w 1983 roku, ale mimo wysiłków zarządu podstawowe zasady aerodynamiki nadal stanowią ogromną część tych stosowanych przez specjalistów od aerodynamiki. „Poprzez przyspieszenie przepływu powietrza pod bolidem uzyskuje się efekt, który można porównać do ogromnego odkurzacza przysysającego bolid do asfaltu. To dlatego jeździmy z zawieszeniem ustawionym tak nisko, jak to tylko możliwe. Ten sam fenomen wyjaśnia dlaczego ptaki mogą latać bez wysiłku tuż nad powierzchnią wody.”



Przepływ powietrza pod bolidem jest częściowo kontrolowany przez tylny dyfuzor – urządzenie widoczne z tyłu każdego nowoczesnego bolidu F1. Projekt dyfuzora ma szczególną ważność, gdyż im szybciej powietrze może uchodzić spod samochodu, tym większa siła docisku jest wytwarzana.



Bardzo często to właśnie te najmniejsze elementy, których nie widzimy robią największą różnicę. „Może to zabrzmieć dziwnie, ale sukces w dzisiejszej F1 zależy od tego, jak kontrolujesz przepływ pod podłogą.”

Niektóre z najbardziej widocznych elementów aerodynamicznych jak deflektory, są zaprojektowane tak, by poprawiać przepływ pod podwoziem. „Wyobraźcie sobie sytuację, gdy wyciągacie korek z wanny pełnej wody. Wytwarzacie powierzchnię o niskim ciśnieniu, do której jest zasysana woda,” wyjaśnia Owen. „Nazywa się to wirem. Deflektor wytwarza około dziesięciu rożnych wirów, które kłębią się w jeden pod bolidem. To wytwarza przestrzeń niskiego ciśnienia, dzięki czemu generowana jest większa siła docisku.”



Płaty na końcach przednich spojlerów spełniają podobną rolę. „Wytwarzają około pięciu oddzielnych wirów i mają wpływ na to, jak powietrze oddziałuje na przednie opony.” Opony bolidu F1 są nadal postrachem w życiu każdego aerodynamika. „Mają stromy kształt i wytwarzają wiele turbulencji. Wiele z elementów bolidu, takich jak płaty na końcówkach skrzydeł czy deflektory, są zaprojektowane tak, by zapobiec przedostaniu się tego zakłóconego powietrza pod podwozie.”

Nie jest niespodzianką, że przedni spojler jest kluczem do koncepcji aerodynamicznej całego bolidu. „Powietrze najpierw napotyka na swej drodze przednie skrzydło i to ten element określa jak będzie płynęło wokół reszty pojazdu. Oczywiście nieuniknione są tutaj kompromisy. Gdy struga dociera do tylnego spojlera, jest już o ok. 30% wolniejsza niż z przodu. Tylne skrzydło jest mniej wydajne niż przednie czy też podwozie. Innymi słowy, im więcej docisku wyrażonego w Newtonach, tym więcej oporu aerodynamicznego.”

Od lat ustawodawcy F1 pracowali, by ograniczyć poziom siły docisku generowany przez bolidy z umiarkowanym sukcesem. „Jeśli dano by nam wolną rękę, szybko wytworzylibyśmy dwa razy więcej docisku niż teraz,” mówi Owen.

Ale w miarę jak ustawodawcy stawali się bieglejsi w ograniczaniu docisku, zespoły projektowały coraz to bardziej zróżnicowane rozwiązania. Najnowsze tunele aerodynamiczne i Komputerowa Dynamika Płynów (CFD) skutkowały niespotykanym dotąd podejściem do szczegółów. „Złożone kształty są teraz łatwiejsze do wyprodukowania niż kiedykolwiek wcześniej. Mogę zmienić kilka detali w bolidzie i straci on 10-20% docisku, ale tylko fachowe oko będzie w stanie dostrzec różnicę.”

W sporcie gdzie obsesyjną uwagę przykłada się do szczegółów, aerodynamika jest najbardziej obsesyjną dziedziną. Ale poza całą technologią i różnorodnością, aerodynamika pozostaje swego rodzaju czarną magią, która pochłania umysły najwybitniejszych ludzi na świecie. „Siła docisku poprawiona o 10% jest warta ok. 1 sekundę na okrążeniu. I naszym zadaniem, jako specjalistów od aerodynamiki, jest jej znalezienie.”

Źródło: Honda