Aerodinamika u Formuli 1

fernando-alonso-mclaren-barcelona-f1-test-floviz-2016-foto-amus

Suvremeni bolidi Formule 1 imaju sličnosti s borbenim zrakoplovima gotovo kao i sa cestovnim automobilima, naravno najviše u pogledu aerodinamike i utjecaja koji ona ima na brzinu današnjih bolida. Aerodinamika je postala ključ uspjeha u ovome sportu i momčadi troše desetke milijuna dolara na istraživanje i razvoj ovoga područja.

Inženjeri za aerodinamiku imaju dva primarna cilja – stvaranje downforcea, potisne sile koja pritišće gume na stazu i pomaže ostvarivanju što većeg prijanjanja, a time i boljeg ubrzavanja, kočenja i bržih prolazaka kroz zavoje, dok je drugi cilj pritom izazvati što je moguće manji otpor zraka.

Nekoliko je momčadi u kasnim šezdesetima počelo eksperimentirati sa sad već uobičajenim krilima. Krila na trkaćim automobilima funkcioniraju na istom principu kao i zrakoplovna krila, samo što je rezultantna sila suprotne orjentacije. Struja zraka putuje različitim brzinama na različitim stranama krila (jer mora proći različitu udaljenost po konturi krila u istome vremenu) što rezultira razlikom u tlakovima, fizikalni zakon poznat pod nazivom Bernoullijev zakon.

Kako se tlakovi nastoje izjednačiti, krilo se nastoji pomaknuti u smjeru nižega tlaka. Zrakoplovi koriste krila kako bi stvorili uzgon, a trkaći automobili kako bi stvorili downforce, odnosno uzgon s negativnim predznakom. Suvemeni F1 bolidi mogu generirati poprečna ubrzanja u zavojima veća od 5 g (pet puta veće od ubrzanja sile teže, g=9.81 m/s^2) zahvaljujući aerodinamičkom potisku. Teoretski, bolidi Formule 1 bi već pri otprilike 150 km/h mogli voziti po stropu.

Chris Amon u Ferrariju osvojio je dominantan pole position na VN Belgije 1968. zahvaljujući aerodinamičkim dodacima na svom bolidu. Foto: taringa
Chris Amon u Ferrariju osvojio je dominantan pole position na VN Belgije 1968. zahvaljujući aerodinamičkim dodacima na svom bolidu. Foto: taringa

Krila koja generiraju downforce svoju su premijeru imala na VN Belgije 1968. koja je bila povijesno važna iz više razloga. Europski konstruktori, pogotovo Colin Chapman i Mauro Forghieri, inspiraciju su pronašli u sportskim automobilima Amerikanca Jima Halla, Chaparralu 2E i 2F koji su imali velika i visoko postavljena krila.

Novozelanđanin Chris Amon kvalificirao se u svom Ferrariju sa stražnjim krilom na pole position s prednošću većom od četiri sekunde ispred Stewarta u Matri. U utrci je momčad McLarena ostvarila prvu pobjedu, a vozač je bio osnivač Bruce McLaren.

Nažalost, utrku je obilježila još jedna velika nesreća. Britanac Brian Redman pri velikoj se brzini zabio svojim tvorničkim Cooperom u parkiranu Ford Cortinu kod zavoja Burnenville nakon čega je bolid planuo. Redman je zadobio ozbiljne opekline, slomio desnu ruku te se veći dio godine više nije utrkivao.

Sredinom 70-ih otkriven je ‘ground effect’. Lotusovi inženjeri otkrili su da se cijeli bolid može ponašati kao jedno veliko krilo stvaranjem ogromnog krila ispod samoga bolida što stvara potisnu silu prema dolje. Najbolji primjer takvoga razmišljanja bio je Brabham BT46B kojega je dizajnirao legendarni Gordon Murray, a koji je koristio rashladni ventilator kako bi isisao zrak ispod bolida, što je stvaralo ogroman downforce. Nakon pritužbi drugih momčadi, bolid je izmjenjen nakon samo jedne utrke, a uskoro su se promijenila pravila kako bi se umanjio učinak ‘ground effecta’.

Brabham BT46B (1978.) Foto: f1history
Brabham BT46B (1978.) Foto: f1history

Unatoč zračnim tunelima koji koriste modele bolida u punoj veličini (danas se koriste 60%-tni modeli zbog smanjenja troškova) i nevjerojatno snažnim računalima, osnovi principi aerodinamike u Formuli 1 ostali su isti: stvoriti što je moguće veći downforce uz što manji otpor zraka. Osnovna krila smještena na prednji i stražnji kraj bolida različitih su profila na različitim stazama ovisno o downforce zahtjevima pojedine staze.

Ukoliko je staza prepuna zavoja, a nema puno ravnih dijelova, poput Monaca i Hungaroringa, momčadi nastoje proizvesti što je moguće veći downforce, unatoč povećanom otporu zraka koji će time izazvati jer će prednost većeg downforcea nadmašiti gubitak izazvan većim otporom zraka i manjim brzinama na ravnim dijelovima kojih ionako nema puno.

S druge staze, na stazama poput Monze koja nema puno zavoja, a ima nekoliko jako dugih pravaca, momčadi koriste krila nižih profila kako bi imali dovoljnu brzinu na ravnim dijelovima, a gubitak vremena na kočenju, ubrzavanju i u zavojima zbog manjeg downrofcea nadoknadit će na dugim pravcima i većom brzinom koju će na njima postići. Svaka je staza kompromis po ovome pitanju i iako momčadi na svaku stazu stižu s određenim tipom krila koji se simulacijama pokazao optimalnim za tu stazu, sitne preinake po pitanju nagiba krila uvijek se vrše na samoj stazi.

Red Bull RB10 (2014.) Foto: Red Bull
Red Bull RB10 (2014.) Foto: Red Bull

Svaka je površina na suvremenom bolidu Formule 1, od oblika elemenata ovjesa pa sve do vozačeve kacige, ima aerodinamički učinak na cijeli bolid i pomno je dizajnirana u tom smislu. Turbulentna struja zraka, koja ne prati površinu nego se raspršuje u obliku vrtloga, stvara dodatni otpor koji usporava bolid.

Bolidi Formule 1 imaju 3-4 puta veći koeficijent otpora zraka od cestovnih automobila, ponajviše zbog turbulencija koje izazivaju otvoreni kotači svojom rotacijom, ali i velikih otvora za hladnjake vode, ulja, usisnika zraka za motor, kočnice, kao i brojnih otvora za hlađenje. Ali zato ne postoji ništa na svijetu što može okružiti neko asfaltno trkalište brže od bolida Formule 1, unatoč svim ograničenjima s kojima se inženjeri susreću svake godine. A iako joj to nije najjača strana, ni podaci o ubrzanju od 0 – 200 km/h za manje od 5 s i manje od 10 s od 0 – 300 km/h ne zvuče nimalo loše. Baš kao ni zaustavni put sa 100 km/h od 15-ak metara.

Promjene pravila vezanih uz aerodinamiku sastavni su dio povijesti Formule 1, a posljednji val velikih promjena dogodio se 2009. kada su bolidi dobili šira i niža prednja krila, uža i viša stražnja krila kao i mnogo čišće linije (zabrana većine aerodinamičkih dodataka, poput malih krilaca, usmjerivača zraka raznih oblika i slično). Dovoljno je pogledati jedan bolid iz 2008. i 2009. kako bi se stekao dojam o kakvoj se promjeni radi.

McLaren Mercedes MP4-23 (2008.) Foto: McLaren
McLaren Mercedes MP4-23 (2008.) Foto: McLaren

Niža i šira prednja prednja krila, a viša i uža stražnja krila uvedena su kako bi se olakšalo praćenje bolida u zavojima, odnosno smanjio gubitak downforcea kad je jedan bolid u blizini drugoga – bolid koji je iza je u turbulentnom području s manje zraka gdje njegova aerodinamika ne može normalno funkcionirati, zbog čega se smanjuje downforce koji se proizvodi, a time se i otežava prolazak kroz zavoje.

Nižim i širim prednjim krilom nastojao se kompenzirati taj gubitak, a višim i užim stražnjim krilom nastojale su se smanjiti turbulencije koje nastaju iza bolida kako bi ga se moglo lakše pratiti kroz zavoje. Također, vozaču je omogućeno da mijenja nagib prednjeg krila iz kokpita (a time i količine downforcea koje će ono proizvesti).

>> Tehnički pravilnik: DIMENZIJE F1 BOLIDA

>> Tehnički pravilnik: DRS

Još je jedna bitna promjena uvedena 2011. godine, također u svrhu olakšavanja pretjecanja. Riječ je od DRS sustavu (Drag Reduction System, sustav smanjenja otpora zraka). Stražnje je krilo na bolidu Formule 1 sastavljeno od dva elementa (ograničeno pravilima još 2004. godine), a DRS sustav omogućava vozaču da pritiskom na gumb na upravljaču izravna gornji element, čime smanjuje otpor koji krilo stvara, a povećava brzinu na pravcu. Također, time se gubi i downforce, ali na ravnom dijelu on nije ni potreban.

Sustav je zamišljen tako da se smije koristiti tijekom cijeloga kruga za vrijeme slobodnih treninga i kvalifikacija (ako se koriste gume za suho, jer bi gubitak downforcea koji nastaje aktiviranjem DRS-a po mokrome mogao biti opasan), a u utrci tek od trećega kruga i to samo u slučaju ako je bolid na manje od sekundu udaljen od vozača ispred sebe na određenoj točki na stazi (eng. detection point, točka detekcije), nakon čega na određenoj točki (najčešće najduži pravac) može aktivirati DRS (eng. activation point, točka aktivacije). Sustav se deaktivira (odnosno krilo se zatvara i vraća u početni položaj) pritiskom na kočnicu ili ponovnim pritiskom na gumb za aktivaciju.

Različite interpretacije nosa za 2014. na Williamsu i Ferrariju. Foto: Ferrari
Različite interpretacije nosa za 2014. na Williamsu i Ferrariju. Foto: Ferrari

Iako je 2014. posebna prije svega po velikim promjenama u motoru i sustavima za obnovu energije, ni aerodinamika nije bez promjena. Nos bolida mora biti najviše 185 mm iznad podnice (dosad 550 mm), a visina šasije na mjestu gdje se pričvršćuju nos i prednje krilo smanjena je s 625 na 525 mm. Prednje krilo suženo je na 1650 mm (dosad 1800 mm), a neutralni dio širok 50 cm ostao je isti.

Promjene s visinom nosa i šasije uvedene su iz sigurnosnih razloga jer su studije pokazale da će se tako smanjiti opasnost od sudara u kojem bolid prednjim krilom udara u stražnju gumu drugoga bolida nakon čega se prvi bolid lansira u zrak, o čemu vam više može reći Mark Webber koji je u Valenciji 2010. ‘preletio’ preko Kovalainenovog Caterhama. S druge strane, 150 mm uže prednje krilo značajno će smanjiti razinu downforcea, kao i kvalitetu zračne struje prema ostatku bolida.

FIA je definirala da dio bolida koji mora biti nizak 185 mm mora biti presjeka najmanje 9000 mm2, što je tek nešto više od 10% površine presjeka šasije kod prednjih kotača, zbog čega su neki od noseva u najmanju ruku zanimljivi. Neke momčadi su odlučile zadržati visok oblik nosa kako bi što više zraka prošlo ispod njega, a time i prema bočnim stranicama i podnici bolida kako bi se proizvelo više downforcea.

Dvoboj dva najneobičnija nosa u 2014. - Caterham Renault protiv Lotus Renaulta. Foto: Renault
Dvoboj dva najneobičnija nosa u 2014. – Caterham Renault protiv Lotus Renaulta. Foto: Renault

Pravila su ispoštovali produžetkom niskim 185 mm površine presjeka 9000 mm2 koji predstavlja manju smetnju struji zraka nego nos punoga profila. Lotus i Caterham otišli su korak dalje u ovome smjeru – Lotus sa svoje dvije ‘kljove’ i Caterham koji je produžetak nosa okomito spojio na ravan završetak monokoka. Neke momčadi, poput Mercedesa i Ferrarija, nisu se odlučili za takve noseve.

Iduća velika promjena koja se odnosi na aerodinamiku je zabrana ispušnih difuzora (Exhaust Blown Diffusers, EBD). Otkako su se pojavili 2010. (Red Bull RB6 započeo je trend koji su svi bili prisiljeni kopirati), ovakvi difuzori donijeli su velike količine downforcea, a time i znatno brža vremena po krugu. Uvođenje jedne središnje postavljene ispušne cijevi koja prolazi ispod stražnjega krila označilo je kraj četverogodišnjeg rata momčadi na ovome području, što se itekako osjetilo na razini downforcea.

Stražnje krilo oko 5 cm je pliće, više nema beam winga (krila smještenog ispod stražnjeg krila), a razlika u visini između otvorenog i zatvorenog krila prilikom rada DRS-a povećana je s 5 na 6.5 cm, što omogućuje da kut gornjeg elementa stražnjeg krila bude veći, uz isti DRS učinak kada je krilo otvoreno.

Momčadi su i dosad imale 15 cm širok slobodan prostor ispod središta stražnjega krila gdje su mogli staviti manja krila (eng. monkey seat), a za 2014. taj se prostor proširio na 20 cm.

Novi val promjena za 2017.

toro-rosso-f1-designs-2017-sean-bull-formel-1-fotoshowbig-a4640d19-998408

Promjena tehničkog pravilnika za 2017. najveća je u posljednjih dvadesetak godina i uključuje znatno šire gume i slobodnija pravila za dizajn šasije i aerodinamičkog paketa.

Prednje gume bit će široke 305 mm (trenutno 245 mm), a stražnje gume 405 mm (trenutno 325 mm).

Širina bolida bit će 2000 mm umjesto trenutnih 1800 mm, a područje na kojem momčadi smiju postavljati razne aerodinamičke dodatke poput deflektora bit će povećano (veća sloboda za dizajnere).

Prednje krilo bit će široko 1800 mm umjesto dosadašnjih 1650 mm, a stražnje 950 mm umjesto dosadašnjih 750 mm.

Stražnje krilo bit će i 150 mm niže, 800 mm vertikalne udaljenosti od referentne plohe umjesto dosadašnjih 950 mm.

Kako bi se dodatno povećao aerodinamički pritisak, povećane su i dimenzije difuzora koji je sada visok 175 mm (trenutno 125 mm), širok 1050 mm (trenutno 1000 mm), a počinje 175 mm ispred stražnje osovine (trenutno počinje točno na stražnjoj osovini).  Navedene promjene dimenzija difuzora povećavaju njegov volumen, a time i količinu downforcea koju proizvodi.

Kako bi se kompenzirala dodatna težina, minimalna težina povećat će se sa 702 na 722 kg plus težina guma koja se procjenjuje na oko 5 kg.

Novi bolidi trebali bi biti vizualno atraktivniji i brži, zahvaljujući novim pravilima o dimenzijama karoserije i guma koja bi im trebala omogućiti oko četiri  sekunde brža vremena po krugu.

  • Mercedes W07 Hybrid gearbox and rear end Spain GP Barcelona foto automotorundsport

    Mjenjač

    Mjenjači u Formuli 1 već dugo vremena ne služe samo promjeni brzina, nego su i vitalni dio…
  • Pogonska jedinica

    Današnje pogonske jedinice u Formuli 1 ne sastoje se samo od motora s unutrašnjim izgaranj…
  • Gume u Formuli 1

    Suvremeni bolid Formule 1 tehničko je remek djelo, ali uzevši u obzir koliko se ulaže u ra…
Učitaj još iz Tehnika - generalno

Odgovori

Budi prvi koji će komentirati ovu vijest!

Obavijesti me o
wpDiscuz

Pogledajte i ovo

Mjenjač

Mjenjači u Formuli 1 već dugo vremena ne služe samo promjeni brzina, nego su i vitalni dio…