Aerodynamika w Formule 1

Paip · Wysłany: Nie 13:33, 09 Mar 2008 Temat postu: Aerodynamika w Formule 1

Współczesny bolid Formuły 1 ma więcej wspólnych cech z myśliwcem, czy wahadłowcem NASA niż ze zwykłym pojazdem poruszającym się po drogach. Już dawno temu stwierdzono, że aerodynamika bolidu F1 ma kluczowe znaczenie w odniesieniu sukcesu w tym sporcie. Zespoły rocznie wydają dziesiątki milionów dolarów na badania i rozwój tej dziedziny.

Projektant, który chce stworzyć dobre pod względem aerodynamicznym nadwozie ma dwa cele. Pierwszym jest stworzenie możliwie największej siły dociskającej bolid (ang. downforce) do nawierzchni toru. Siła ta powoduje, że opony bolidu mają większą przyczepność do powierzchni toru i umożliwia pokonywanie zakrętów na dużej prędkości. Aby zobrazować siłę jaką generuje nowoczesny bolid F1 często podaje się przykład, w którym stwierdza się, że już przy prędkości 180 km/h samochód F1 mógłby jeździć po suficie „do góry nogami”. Oczywiście siła ta rośnie wraz ze wzrostem prędkości, a wzrost prędkości powoduje powstawanie drugiej siły tzw. siły oporu (ang. dragforce), która ogranicza możliwości silnika do rozpędzania bolidu. Minimalizacja sił oporu jest drugim celem projektanta aerodynamiki w samochodzie Formuły 1.

Jako, że Formuła 1 jest liderem w dziedzinie technologii pierwsze skrzydła na bolidach F1 zaczęły pojawiać się w latach ‘60 ubiegłego wieku. Wtedy to kilka zespołów postanowiło wykorzystać podstawy aerodynamiki w celu osiągnięcia przewagi nad rywalami. Oczywiście w tamtych czasach projektowanie skrzydeł nie było tak rozwinięte i wspomagane komputerowo jak dzisiaj. Niemniej jednak pomysł ten przetrwał kilkadziesiąt lat i zdążył ewoluować, a dzisiaj skrzydła zamontowane z przodu i tyłu bolidu wpisały się na stałe w krajobraz Formuły 1.

Skrzydła bolidu F1 działają na tej samej zasadzie co skrzydła samolotu, z tym, że bolid zamiast unosić się w powietrze ma być jak najmocniej przyciskany do nawierzchni toru. Z tego powodu skrzydło F1 wygląda odwrotnie niż skrzydło samolotu. Skrzydło bolidu F1 podczas jazdy naciera na powietrze pod pewnym kątem, zwanym kątem natarcia- kąt ten jest ustawiany przez inżynierów w zależności od tego jak dużej przyczepności wymagamy od bolidu i jest on różny dla różnych torów i warunków atmosferycznych. Kształt przedniej krawędzi skrzydła i kąt jego nachylenia powodują, że pomiędzy powietrzem płynącym pod skrzydłem, a tym obiegającym je z góry wytwarza się różnica ciśnień. Pod skrzydłem wytwarza się podciśnienie, a nad nim nadciśnienie. Jak to w fizyce bywa cały otaczający nas świat dąży do stanu równowagi. Tak też dzieje się w tym przypadku, a ponieważ skrzydło jest na sztywno zamocowane do bolidu równoważenie tych sił powstaje na skutek wytworzenia równoważącej siły dociskającej.

Dążenie do coraz lepszych osiągów było, jest i będzie celem konstruktorów Formuły 1. Niestety montowanie coraz to większych i wyżej zamocowanych skrzydeł przyczyniło się do kilku dramatycznych wypadków i w sezonie 1970 po raz pierwszy ograniczono wielkość i wysokość montowania „spojlerów”. Restrykcje te są cały czas nakładane na zespoły i cały czas stawiają przed nimi nowe zadania w dziedzinie projektowania aerodynamiki.

Po wprowadzeniu tych ograniczeń odkryto tzw. efekt uziemienia. Inżynierowie Lotusa, Peter Wright i Colin Chapman, stworzyli bolid, który pod spodem wyglądał jak jedno wielkie skrzydło, co znacznie poprawiło przysysanie się go do nawierzchni toru. Rozwiązanie takie nie wpływało również na zmianę siły oporu, przez co samochód ten mógł jeździć z maksymalną prędkością również na prostych odcinkach toru. Ostatnim tego typu rozwiązaniem był projekt legendarnego Brabhama BT46B wykonany przez Gordon’a Murray’a. Bolid ten wyróżniał się w stawce ogromnym wiatrakiem zamontowanym w tylnej części samochodu, który dodatkowo wysysał powietrze spod bolidu, wytwarzając ogromną siłę dociskającą. System ten został zakazany po jednym wyścigu- GP Szwecji 1978 na torze Anderstorp- gdy Niki Lauda zdeklasował wszystkich rywali. Aktualnie przepisy nakazują, aby bolidy miały płaski spód uniemożliwiając tym samym wykorzystanie efektu uziemienia.

Aerodynamika współczesnego pojazdu F1 to oczywiście nie tylko skrzydła montowane z przodu i tyłu. Każdy zewnętrzny element bolidu jest projektowany z myślą o opływowych kształtach. I tak począwszy od elementów zawieszenia, a skończywszy na kasku kierowcy wszystko jest optymalizowane aerodynamicznie. Każdy element, który wprowadza zawirowania powietrza powoduje powstawanie niepotrzebnego oporu, który hamuje bolid. Elementem, który we współczesnym bolidzie stanowi główny czynnik zwiększający współczynnik oporu powietrza Cx są koła, które zgodnie z regulaminem FIA nie mogą być osłonięte w żaden sposób. Stąd wzięła się angielska nazwa serii open-wheels. Konstruktorzy dążą do kształtowania obiegu powietrza wokół kół poprzez instalowanie specjalnych mini-skrzydeł przed oponami, które kierują strumień powietrza nad koła, wytwarzając tym samym dodatkową siłę dociskającą i minimalizującą opór powstający na skutek zawirowań powietrza, które opływa koła.

W sezonie 2005 wprowadzono nowe regulacje techniczne, które ponownie nałożyły na konstruktorów restrykcje mające zmniejszyć generowaną przez bolid siłę dociskającą. I tak o 50 mm podniesiono przednie skrzydło, tylny spojler przesunięto do przodu i zmodyfikowano profil dyfuzora. Projektanci jednak szybko uporali się z tymi stratami i aktualnie osiągają podobne, jak nie lepsze wyniki na torach.