21. mája 2022
f1

Fyzika pretekárskych vozov

Donedávna som F1 nevenoval veľkú pozornosť – vozidlá chodili do kolečka a robili „vzuuum“. Raz som poobede zostal u našich a tatino ma trochu zasvätil. Začal som si všímať veci, ktoré som dovtedy prehliadal. A potom mi od kamaráta v schránke pristál – dlhý – článok o fyzike pretekárskych vozov. Rovno vám prezradím, je to šialené! Pomaly dvadsať strán textu o jednom aspekte monopostov formule – prítlaku. Desaťročia inovácií, miliónové náklady na mikroskopické zlepšenie, zákulisné intrigy. Stále sa niečo deje, nové nápady, okamžité zákazy. A na pozadí toho všetkého krásne priamočiara a zároveň komplexná fyzika. Verím, že tento text si užijete, či už preteky F1 sledujete alebo nie. Po prečítaní určite budete chcieť.

[Samuel]

Prológ: Ako automobily dostali krídla

Ako každý fanúšik motoršportu, a hlavne F1 (Formula 1), som zaznamenal prichádzajúcu zmenu pravidiel. Od roku 2022 bude znovu povolený „ground effect“. To ma priviedlo k myšlienke napísať článok venujúci sa fyzike pretekárskych vozidiel a to hlavne po aerodynamickej stránke.

Drvivá väčšina pretekov je zameraných na rýchlosť. Hoci existuje pár variantov pretekov zameraných na presnosť, krásu či dokonca umelecký dojem, vo všeobecnosti je rýchlosť to, čo robí tento šport vzrušujúcim. Ľudstvo bolo schopné vyprodukovať svižné automobily v prekvapivo krátkom čase. Spravme si malý výlet do minulosti.

1885 – Benz Patent-Motorwagen.
1885 – Benz Patent-Motorwagen. Zdroj.

Vozidlo Karla Benza z roku 1885 je považované za prvé vyrábané vozidlo vôbec, nakoľko sa z neho vyrobilo niekoľko identických kópií. Neskoršia posilnená verzia, z roku 1887, dosahovala výkon 1500W – teda dve konské sily – vďaka čomu zvládla maximálnu rýchlosť 16 km/h. Áno, bezpečnostnostné pásy ešte nepotrebovalo. Aj toto stačilo, aby sa ukázala ľudská nátura. Henry Ford to zhrnul dokonale: „Závodenie áut začalo päť minút potom, čo bolo postavené druhé auto.“

Keď sa auto poháňané benzínovým motorom stalo najrýchlejším na svete, dosiahlo nový rýchlostný rekord približne 122 km/h. Viete, v ktorom roku to bolo? V roku 1902. Automobil pilotoval Američan William Kissam Vanderbiltom II.

1902 – Vanderbiltovo auto.
1902 – Vanderbiltovo auto. Zdroj.

Hoci korene F1 siahajú do dvadsiatych rokov minulého storočia, prvý oficiálny svetový šampionát jazdcov sa odohral až v roku 1950. Prvým šampiónom F1 sa stal taliansky jazdec Giuseppe Farina jazdiaci na voze Alfa Romeo 159.

A teraz si prosím všimnite podobnosť medzi víťazným Alfa Romeo 159 z roku 1950/1951 a Vanderbiltovym autom z roku 1902. Automobily, ktoré delí takmer 50 rokov. Viem že puristi ma za toto porovnanie ukameňujú, nakoľko medzi tými automobilmi sú obrovské rozdiely – napríklad samotné zavesenie kolies. Na fotke Vanderbiltovho auta je vidieť eliptické listové pružiny. Je to identická technológia, akú používa napríklad britská kráľovná Alžbeta II. na svojom zlatom koči. Naproti tomu Alfa Romeo 159 už používa nápravu s použitím vlečných ramien. To sú však technické detaily. My sa budeme rozprávať predovšetkým o aerodynamike. U tej, ako vidíme, prakticky žiaden posun nenastal.

1951 – Alfa Romeo 159.
1951 – Alfa Romeo 159. Zdroj.

Ako teda asi uvažoval niekdajší konštruktér pretekárskych vozidiel? Pre maximálnu rýchlosť potrebujeme v prvom rade čo najvýkonnejší motor.  K tomu sa snažíte minimalizovať hmotnosť a odpor auta, aby vás okolitý vzduch zbytočne nebrzdil. Bum, hotovo, vybavené. Či nie?

Takéto úvaha platí pre vozidlo, ktoré sa pohybuje priamočiaro. Na rozdiel od niektorých amerických motoršportov, F1 má na svojich okruhoch naštastie aj rozličné zákruty, v ktorých maximálnu rýchlosť určuje niečo iné ako len silný motor. A to je dôvod, prečo píšem tento text.

Po fyzikálnej stránke sa budem venovať výhradne aerodynamike, presnejšie fyzike, ktorá umožňuje maximálnu rýchlosť v zákrutách. Priaznivci zavesenia kolies mi snáď odpustia, že sa tomuto aspektu venovať nebudem. Možno je to škoda, mohol vzniknúť pekný článok: „Zavesenie kolies – šokujúca pravda za oponou.“

Vráťme sa k fyzike. Newtonov pohybový zákon hovorí, že ak na hmotný bod nepôsobí žiadna celková sila, zotrváva v pokoji alebo v rovnomernom priamočiarom pohybe. Preložené do našej reči, automobil na konci rovinky bude mať tendenciu pokračovať rovno. Preto to, čo sa nás snaží zabiť v zákrute (okrem Maxa Verstappena), je odstredivá sila spôsobená zotrvačnosťou. Odstredivá sila ma tvar:

Vo vzorci je m hmotnosť objektu ktorý do zákruty vpálil, v je jeho neuvážene vysoká rýchlosť a R je polomer zákruty. Z toho je pekne vidieť, že sila rastie s hmotnosťou a ešte výraznejšie s rýchlosťou. Zároveň, čím je zákruta ostrejšia, tým výraznejšia odstredivá sila bude na nás pôsobiť.

Myslím, že som zatiaľ nikomu žiaden šok nespôsobil. K tomuto záveru by dospel snáď každý aj bez fyzikálnych rovníc. Musí existovať sila, ktorá odstredivú silu kompenzuje. Ak by neexistovala, vozidlo by sa neudržalo na svojej dráhe. Tou protiváhou je trecia sila pneumatík, ktorá pôsobí v bode dotyku s vozovkou. Práve v týchto štyroch bodoch sa odohráva celá mágia. Vzorec pre výpočet trecej sily v šmyku je jednoduchý:

To znamená, že trecia sila sa vypočíta ako násobok koeficientu f (má skovstné meno: súčiniteľa šmykového trenia) a kolmej tlakovej sily medzi telesami FN, napríklad tiažovej sily. Teda, čím silnejšie je vozidlo tlačené do zeme, tým pevnejšie drží. Logické, nie?

Trecia sila, ktorá odoláva odstredivej sile závisí od aj priľnavosti pneumatík. Práve priľnavosť pneumatiky sa skrýva v  koeficiente f (v tých slovíčkach súčiniteľ šmykového trenia). Na hodnotu f pôsobí niekoľko faktorov. Tieto faktory sú však identické pre všetky vozidlá, tam veľkú výhody oproti konkurencii nezískame. Okrem trecej sily zohráva úlohu aj hysteréza a abrázia.

To, s čím vieme pracovať, je druhý člen rovnice. Ak by bolo vozidlo tlačené silnejšie do zeme, teda bola by väčši FN, stúpla by aj trecia sila. Jedna možnosť je očividná, zvýšiť hmotnosť vozidla – auto do zeme tlačí gravitácia. Dvakrát tak ťažké auto je dvakrát tak silno tlačené do zeme. No zároveň na neho pôsobí dvakrát tak veľká odstredivá sila, takže sme nič nezískali – vplyv sa vykrátil.

Potrebujeme, aby autá tlačilo dole niečo iné, než gravitácia. A tu prichádza na scénu aerodynamika.

Riešením pre automobilového konštruktéra je teda prítlak. Ten zvyšuje (vertikálne) zaťaženie pneumatík a teda aj treciu silu, ktoré vozidlo udrží na svojej dráhe. Ako je vidieť, do roku 1951 konštruktéri F1 prítlaku nevenovali veľkú pozornosť. Farinove Alfa Romeo z roku 1951 má sotva lepší prítlak ako auto Vanderbilda z roku 1902 – a predsa sa stal šampiónom F1. Pritom ľudstvo rozumelo vztlaku, teda opak prítlaku, už počas Vanderbildovej doby. Na okamih si kvôli tomu odskočíme k lietadlám.

Prečo sa lietadlá udržia vo vzduchu? Ide o rozdiel tlakov. Tlak pod krídlom je vyšší ako tlak nad krídlom. Vo všeobecnosti ide veľmi zložitú fyziku. Tvar krídla vplýva na prúdenie vzduchu, čo mení jeho tlak nad a pod ním. Detaily sú náročné na vysvetlenie, no vo všeobecnosti platí, že sa dá prítlak opísať rovnicou

V tejto rovnici je W rozpätie krídla, H niečo ako šírka jeho profilu, krídla a F je zdvihový koeficient. Vo všeobecnosti závisí vztlak od tvaru a natočenia krídla. Je mu však jedno, ktorým smerom sa nachádza zem. Ak krídlo – aj s jeho natočením – preklopíte dole hlavou, tak vytvorí opačný rozdiel tlakov. A namiesto smerom hore, bude rozdielov tlakov tlačiť smerom dole. To znie ako zlý nápad, ak ste lietadlo a chcete letieť. No je to skvelý nápad, ak ste formula a za žiadnu cenu lietať nechcete.

Prví inžinieri, ktorí sa hrali s myšlienkou prítlaku, boli nemeckí konštruktéri z automobilky Opel, keď sa v dvadsiatych rokoch dvadsiateho storočia snažili zostrojiť prvé auto na raketový pohon. Nakoľko im všetky autíčka odleteli preč, prišli s myšlienkou, privariť po bokoch auta malé prevrátené krídla. A tak autá dostali krídla.

1928 – Opel RAK2.
1928 – Opel RAK2. Zdroj.

2.   Keď monoposty boli vyššie ako širšie

Je až neuveriteľné, že prvý človek, ktorého napadlo použiť krídlo v pretekoch, bol švajčiarsky závodník Michael May, ktorý až v roku 1956 privaril krídlo na svoje závodné Porsche 550 Spyder.

S týmto autom sa zúčastnil pretekov na 1000 km v Nürburgringu a celkovo skočil štvrtý, umiestnil sa tesne za pretekármi ako Juan Manuel Fangio na Ferrari a Jean Behra na Maserati, ktorých vozy boli o poznanie silnejšie – Fangiove Ferrari malo výkon 127 kW, zatiaľ čo Mayovo Porsche malo výkon len 81 kW. Od konkurentov s podobnými vozmi, ale bez krídla, bol výrazne rýchlejší. Sám May neskôr priznal, že nápad na krídlo dostal na základe práce mechanikov Oplu na voze Opel RAK 2.

1956 – Porsche 550 Spyder s krídlom.
1956 – Porsche 550 Spyder s krídlom. Zdroj.

Čo sa stalo po pretekoch? Krídlo na protest ostatných tímov zakázali. Oficiálny dôvodom bola údajná zhoršená viditeľnosť pretekárov jazdiacich za ním. Tento zákaz bol následne striedavo uvoľňovaný a sprísňovaný, záležalo to od jednotlivých pretekov.

Aby som bol ku konštruktérom vtedajšej doby fér, aerodynamický prítlak je funkčný len vo vysokých rýchlostiach. V dobe, keď sa ako zadná náprava bežne používala oceľová tyč, nebolo možné dosahovať v zákrutách dostatočne vysoké rýchlosti.

Použitie krídiel mohlo byť dokonca kontraproduktívne. Ani dokonalá aerodynamika vám nepomôže, ak má monopost tendenciu prevrátiť sa. Aerodynamika sa začala dostávavať do popredia, až keď vývoj podvozku dobehol vývoj motora.

Veľkým inovátorom v aerodynamike pretekárskych vozov bol americký konštruktér a pretekár Jim Hall. V roku 1961 sa zúčastnil série pretekov Can-Am so svojim Chaparral 1. Počas jedného závodu sa mu vo veľkej rýchlosti vzniesol nos auta do vzduchu a havaroval.

Bill Mitchell, hlavný konštruktér automobilky Chrysler v 50.tych a 60.tych rokoch, mu odporučil, aby na prednú časť svojho auta privaril malé krídlo. A tak sa v roku 1963 objavil voz Chaparral 2, čím vznikol vôbec prvý pretekársky voz s predným spoilerom v histórií. V roku 1965 vznikol voz Chaparral 2C, na ktorom bol primontovaný aj zadný spoiler a po úspešných testoch vznikol voz Chaparral 2E, kde sa rozhodli použiť aj pákový efekt, keď zadné krídlo bolo o dobrý meter vyššie oproti zbytku vozidla.

Písal sa rok 1966. Na týchto vozoch je vidieť štandardné uvažovanie konštruktérov – keď sa koncept osvedčí, treba ho vyhnať do extrémov, až kým ho nezakážu.

1966 – Chaparral 2E
1966 – Chaparral 2E. Zdroj.

A ako na tom bola v tejto dobe kráľovná motoršportu? Aj v F1 nad týmto nápadom uvažovali. V rovnakom roku McLaren pomerne úspešne testoval použitie zadného krídla; vošiel by tak do dejín ako prvý tím so zadným krídlom v F1. Rád by som ukázal súťažný monopost McLarenu z roku 1966 a pre porovnanie aj z nasledujúcich rokov 1967 a 1968.

1966 – McLaren F1.
1966 – McLaren F1. Zdroj.
1967 – McLaren F1.
1967 – McLaren F1. Zdroj.
1968 – McLaren F1.
1968 – McLaren F1. Zdroj.

Údajný dôvod nenasadenia zadného krídla v roku 1966, hoci testy boli sľubné, bol kapacitný problém s personálom. Jednoducho sa na to nemal kto pozrieť. Ako to býva, McLarenu ušiel vlak a prvý, kto prišiel s prítlačným krídlom, bol Lotus v roku 1967.

V tej dobe za Lotus pretekal Jim Clark, v novembri 1967 sa zúčastnil amerických pretekov Indycar za tím Vollstedt, ktorého monopost bol vybavený malým zadným prítlačným krídielkom. Clark bol ohromený stabilitou vozu.

Neskôr v ten rok sa o tom radil s mechanikmi zo svojej domovskej stajne Lotus počas pretekov Tasman winter series. Jeden z mechanikov zobral kus rotora z helikoptéry a na Jimiho Lotuse 33 narýchlo vyrobil zadné prítlačné krídlo. Hoci zadný spoiler rýchlo odmontovali, mechanici od Ferrari už stihli spojler nafotiť a odkopírovať, a tak sa stala sezóna 1968 sezónou, kedy použili zadné krídla hneď u viacerých tímov F1 naraz.

Mechanik Ferrari, ktorý krídlo odfotografoval, nebol nik iný ako už spomínaný Michael May. Ešte v tom istom roku krídla narástli do enormných rozmerov, kedy sa rovnako ako Chaparral 2E snažili využívať pákový efekt. Veľké krídla na titerných nožičkách sa však začali lámať a organizátorom nakoniec došla trpezlivosť po nehode Grahama Hilla počas Veľkej ceny Španielska v roku 1969. A tak bola potom prijatá séria opatrení, aby sa krídla znížili. Už sa však nikdy úplne nezakázali. Ich výhody boli nesporné a odvtedy ich poznali všetci.

Ako je vidieť, McLaren to v rokoch 1966 a 1967 nedotiahol do konca a tak premrhal potenciál. V nasledujúcom roku 1968 to však prekompenzovali.

1967 – Vollstedt Jimiho Clarka.
1967 – Vollstedt Jimiho Clarka. Zdroj.
1968 – Lotus 49.
1968 – Lotus 49. Zdroj.
1968 – Ferrari Jacky Ickx.
1968 – Ferrari Jacky Ickx. Zdroj.
1969 – VC Španielska.
1969 – VC Španielska. Zdroj.

Dobre, keď v roku 1969 boli krídla obmedzené smerom do výšky, tak obdobný pákový efekt dostaneme, keď posunieme krídlo, čo možno najďalej dozadu. Takže začiatok 70.tych rokov bol v F1 evidentne obdobím extrémov. Všimnite si, ako ďaleko je krídlo Lotusu z roku 1972. Neprekvapím nikoho, keď dodám, že dnes sú už normy aj na toto riešenie.

1972 – Lotus.
1972 – Lotus. Zdroj.

Rád by som podotkol, že necelých 5 rokov predtým žiadne krídla v F1 neboli. Takže recept na úspech vyzeral takto: silný motor, ľahký monopost a čo najväčšie krídla. Stačí toto a som za vodou? Nuž každá minca má dve strany.

Mechanici rýchlo prišli na to, že prítlak je žiadúci v zákrutách, ale na rovinkách nie. Objavil sa staronový problém – odpor vzduchu. Zhrniem to. Potrebovali sme zvýšiť silu pôsobiacu na automobil zhora bez toho, aby sme zvýšil hmotnosť vozidla. Vyriešilo sa to, ale objavil sa nový problém. Získavame v zákrutách, ale strácame na rovinkách.

Konštruktéri sa začali premýšľať, ako zvýšiť silu zhora bez toho, aby som dramaticky stúpol odpor vzduchu?

Je čas na ďalšie fyzikálne okienko. Odpor vzduchu sa počíta nasledujúcim vzťahom:

Niet o tom pochýb, že čím idem rýchlejšie, tým výraznejšie rastie odpor vzduchu. Empiricky to vie potvrdiť asi každý z nás – iné je cítiť vietor vo vlasoch a iné hurikán.

Cod vo vzorci je koeficient odporu, ktorý sa určuje experimentálne vo veternom tuneli a A je prierez objektu, pre ktorý odporovú silu počítame. Z rovnice je vidieť, že čím nižší koeficient odporu objekt má, tým nižší bude aj odpor vzduchu. Pripájam obrázok niektorých základných tvarov a ich nameraných koeficientov odporu.

Koeficienty odporu.
Koeficienty odporu.

Ako je z obrázku vidieť, kvapkový tvar ma najnižší koeficient odporu. Priemerný automobil ma koeficient odporu približne 0,3 až 0,4; čiže približne na úrovni polgule. Lietadlo má koeficient odporu niekde na úrovni 0,08, no a monopost F1 má koeficient odporu niekde na úrovni tehly. To je 0,7 až 1,1. Tiež som sa nad tým na sekundu pozastavil.

Je to spôsobené snahou, o čo možno najväčšiu prítlakovú silu v zákrutách. Okrem toho vozidlo F1 je už zo svojej podstaty vozidlo s neprekrytými kolesami a otvoreným kokpitom, kde oba prvky výrazne prispievajú k nárastu odporu vzduchu. Práve táto rovnováha medzi prítlačnou silou a odporom je alchýmia pri konštruovaní monopostu F1.

Všimnite si, že sme rozprávali už o silách, ktoré pôsobia z pravej a ľavej strany vozidla, teda odstredivej a dostredivej (trecej) sile, odporovej sile, ktorá pôsobí spredu a prítlakovej sile, ktorá pôsobí zhora. Tým nám chýbajú už len sily z posledných dvoch strán.

Hnacia sila pôsobiaca na voz zozadu pochádza z motora, odkiaľ sa prenáša na zadné kolesá. Poslednou silou pôsobiacou zdola je vztlaková sila. Ide o veľmi nežiadúci jav, preto konštruktéri úmyselne tvarujú vozidlo tak, aby bola táto sila čo najmenšia.

Automobiloví inžinieri ju majú celkom pod kontrolou, no aj majster sa utne – spravme si malú odbočka do 90.tych rokov. V tej dobe značka Mercedes valcovala konkurenciu v šampionáte nemeckých cestovných vozov (DTM). Preto si povedali, čo tak to skúsiť na slávnych závodoch 24h Le Mans.

Mercedes postavil stroj Mercedes-Benz CLR. Papierovo šlo o výborný stroj s vysokým výkonom, čo z neho robilo v roku 1999 favorita. Zásadná chyba v konštrukcií však mala za následok, že za určitých podmienok nastal prudký nárast vztlaku. Počas víkendu sa stroj prevrátil celkovo trikrát. Tretí krát to bolo priamo v pretekoch, keď závodník Peter Dumbreck zvládol so svojim vozom trojité salto vzad. Do vzduchu bol katapultovaný bez akéhokoľvek dotyku so súperom alebo bariérou. A že do tretice všetko dobré!

Po objavení prítlakových krídiel inžinierom netrvalo dlho, aby prišli s myšlienkou pohyblivých krídiel. Krídlo v zákrute generuje maximálny prítlak, ale na rovinke sa stiahne, čím generuje minimálny odpor vzduchu. Je vám to známe, však? Áno, ide o známe DRS.

Prvé pokusy o pohyblivé krídlo boli napojené priamo na zavesenie kolies, čo viedlo k mnohým komplikáciám a nebezpečným situáciám. Preto veľmi rýchlo prišla reakcia organizátorov a pohyblivé časti karosérie boli zakázané už v roku 1969, ani nie celé dva roky po objavení krídiel. Ako prvé prišlo nariadenie, že krídla musia byť pevne privarené k šasi (telu) vozidla.

Takto postupne vzniklo jedno zo základných pravidiel F1, ktoré hovorí, že pohyblivé časti nesmú byť súčasťou systému, ktorý vplýva na aerodynamiku vozidla. Alebo inak povedané, pohyblivé časti vozidla nesmú generovať prítlak. Samozrejme, dnešné DRS je spoločnou výnimkou pre všetky tímy.

Tím Red Bull Racing bol v sezóne 2013 obvinený z porušenia tohto pravidla, keď oponenti označili motor RBR za pohyblivú súčasť aerodynamiky vozu, pretože unikajúci vzduch cez výfukové potrubie riešil problém turbulentného prúdenia vzduchu okolo zadných kolies. Asi nikoho neprekvapím, že po sezóne 2013 došlo k úprave pravidla o výfukových potrubiach a toto riešenie bolo de facto zakázané.

Vráťme sa však k vozu Lotusu z roku 1972. Je rozdiel vo výklade pravidiel, pokiaľ povieme, že krídla sa nesmú hýbať a keď povieme že krídla musia byť pevne privarené. Aj pevne privarené časti vozu sa môžu vplyvom vzduchu hýbať, čo dostalo názov aeroelasticita.

Lotus obalil svoje zadné krídlo gumovou vložkou, ktorá podliehala výraznej aeroelasticite. Dnes je to prísne zakázané, ale v tej dobe išlo o šedú zónu pravidiel. Tlak, ktorý dokáže vygenerovať zadné krídlo zodpovedá približne 700 kg. Guma na zadnom krídle bola tak tuhá, že mechanik sa na ňu mohol navážiť celou svojou váhou a krídlo sa nepohlo, ale pri tlakoch v maximálnej rýchlosti sa krídlo vyrovnávalo, čím klesal odpor vzduchu.

Tento ťah bol prehliadaný až do chvíle, keď si jazdec stajne McLaren Denny Hulme všimol, že na dlhých rovinkách sa objavuje helma Emersona Fittipaldiho, ktorú v zákrutách nevidel cez zavadzajúce zadné krídlo, keď jazdil za ním. Lotus sám túto vychytávku stiahol zo strachu pred možnými sankciami. Tým, sa táto kauza uzavrela. Dnes sa aeroelasticita objavuje už len v menšej miere.

Dnešný monopost je schopný vygenerovať celkový prítlak v ekvivalente 1700 kg. Pri minimálnej hmotnosti vozidla – hmotnosť narástla z nejakých 500 kg na dnešných 743 kg – je to približne dvoj až trojnásobok. Prítlak pre vozy F1 je tak veľký, že už pri rýchlosti okolo 130 km/h je monopost schopný jazdiť po streche tunela. Kľudne by mohli byť niektoré rýchle okruhy odjazdené dolu hlavou. Aj keď teda, pit stopy by si vyžadovali extra zručnosti od mechanikov. A motor by si asi žiadal tiež menšie úpravy.

Je vidieť, ako rýchlo si konštruktéri F1 uvedomili potrebu krídiel a ich využitie, ale stále pomerne málo rozumeli využitiu aerodynamiky vozu ako celku. Aerodynamika vozidla je ako orchester. Vozy zo sedemdesiatych rokov používali veľké krídla so silným prítlakom, ktoré však so zbytkom vozu vôbec neladili. Bolo to akoby ste mali v orchestri bubny a elektrickú gitaru. Sami o sebe vedia vylúdiť aj veľmi príjemný sled tónov, ale s orchestrom to proste neladí. (Áno, v dnešnej dobe, keď s orchestrom chodí na turné aj Rytmus a Kandráčovci, to už možno neplatí.)

Adrian Newey je asi najznámejší súčasný konštruktér monopostov F1 a aktuálny hlavný konštruktér v tíme RBR. Vo svojej knihe označil predné krídlo za najdôležitejší aerodynamický prvok vozidla. Práve ono generuje asi 30% celkového prítlaku vozidla, čo je dosť, ale je to stále menej ako napríklad prítlak pochádzajúci zo zadného krídla.

To, čo je na prednom krídle najdôležitejšie, je jeho schopnosť usmerňovať vzduch k ďalším aerodynamickým prvkom.

Vznikol teda problém s veľkými krídlami.Nedalo sa s nimi hýbať a ani ich ohýbať. Aerodynamiku bolo treba premyslieť od základov. Čo tak sa nepozerať len na krídla, ale na aerodynamiku vozidla ako celku?

3.   Ako do našich životov prišiel ground effect

Ground effect vytvára aerodynamický prítlak bez zbytočného nárastu odporu vzduchu. Pre monopost je to niečo dokonalé. Nezvýšuje hmotnosť a ani odpor a predsa umožňuje v zákrutách jazdiť rýchlejšie. Ground effect funguje na princípe obráteného krídla, ale tentokrát je obráteným krídlom celé vozidlo.

Pri spojitom toku tekutiny sa bude v zúženom priestore pohybovať rýchlejšie. To sa volá Bernoulliho princíp. Priestor pod automobilom je zúžený, tým je vzduch nútený pohybovať sa rýchlejšie a rýchlejšie sa pohybujúci vzduch vytvára oblasť nízkeho tlaku. Nakoľko je oblasť nízkeho tlaku priamo pod autom, tak okolitý vzduch doslova pritlačí vozidlo k zemi.

Ground effect je tým silnejší, čím sa monopost nachádza bližšie k vozovke. Problém nastane, keď sa automobil dotkne vozovky. Odrazu vzduch nemá kadiaľ prechádzať a obrovský prítlak sa zrazu vypne. K výraznému zoslabeniu ground effectu dochádza aj cez únik vzduchu okolo bočného okraju podlahy. V ideálnom svete by sme chceli, aby vzduch prechádzal popod celé auto. Riešením bolo použiť okolo auta „sukničku“. Okrem Bernoulliho princípu sa do výraznej miery objavuje aj niečo, čo má názov Couette flow.  Je to efekt využívajúci viskozitu tekutiny. Áno, aj vzduch je viskózny.

1970 – Lem okolo vozidla Chapparal 2J.
1970 – Lem okolo vozidla Chapparal 2J. Zdroj.

Vráťme sa späť do histórie. Prvý, kto sa začal hrať s myšlienkou ground effectu, bol už spomínaný Jim Hall, tentoraz s vozidlom s názvom Chaparral 2J. Podľa jeho vlastných slov mu myšlienku vnukol jeden z jeho fanúšikov, ktorý mu poslal list s detskou kresbičkou a nákresom autíčka s veľkým ventilátorom. Auto nemalo žiadne krídlo, ale naopak používalo dva silné ventilátory pripevnené do zadnej časti monopostu, ktoré mali za úlohu odsávať vzduch z pod auta, čím sa zvyšoval účinok ground effectu. Rovnako používal aj spomínanú sukničku okolo auta.

Sila, ktorú bol schopný vygenerovať, bola ekvivalentom 1 tony. S autom sa zúčastnil závodov Can-Am v roku 1970. Umožnilo mu to jazdiť zákrutami tak rýchlo, že súperov predbiehal po vonkajšej strane v tiahlych, 180-stupňových zákrutách. Auto niekoľko krát vyhralo kvalifikáciu, ale keďže trpelo nespoľahlivosťou a detskými chorobami, žiaden výrazný úspech nedosiahlo.

Okrem toho mali ventilátory ešte jeden vedľajší efekt. Veľmi radi nasávali nečistoty z trate a hádzali ich do tváre pretekárom za ním. Vtedy šlo o neúmyselný efekt, ale ak si stále myslíte, že to bolo nešportové, tak počkajte, keď zistíte, že dnešné monoposty sú konštruované tak, aby sa to dialo úmyselne a to až do takej miery, že to musí FIA regulovať. Hoci je pravda, že v tej dobe šlo o kamienky a iné pevné nečistoty a dnes ide o nečistý – teda rozvírený – vzduch.

1970 – Chaparral 2J. Zdroj.
1970 – Chaparral 2J. Zdroj.

Do F1 sa myšlienka ground effectu dostávala postupne. Tím BRM v rokoch 1968 až 1969 postavil vozidlo s dlhšími bočnými panelmi. Panely bránili zvírenému vzduchu z kolies prenikať pod vozidlo. Zvírený vzduch pod autom ho robí veľmi nestabilným a úmyslom bočníc bolo potláčať tento neželaný efekt. Bočnice však boli stále veľmi vysoko nad vozovkou, aby sa dali považovať za nejakú sukničku a preto tam nemohol vznikať výrazný ground effect, ktorý by stál za povšimnutie.

V roku 1974 sa konštruktér Gordon Murray z tímu Brabham snažil zabrániť prenikaniu vzduchu pod vozidlo pomocou malých priehradiek v prednej časti vozidla. Príliš sa však opotrebovávali a tak ich posunul trošku ďalej pod vozidlo – čím neúmyselne vygeneroval drobnú oblasť nízkeho tlaku. Tá generovala extra prítlak o hodnote približne 70 kg, čo bolo určite užitočné.

1977 – Lotus 78. Zdroj.
1977 – Lotus 78. Zdroj.

Obdobný detail v rovnakom roku využíval aj McLaren, lebo, ako inak, fungovala priemyselná špionáž. Monopost s cieľom úmyselne využívať ground effect sa objavil až v roku 1977 na Lotuse 78. Výraznejší ground effect využívala hlavne jeho vylepšená verzia z roku 1978, Lotus 79. Monoposty navrhol legendárny konštruktér Collin Chapman, celý monopost bol dizajnovaný v tvare prevráteného krídla. Lotus dokonca používal aj postranné suknice pre zvýšenie výkonu.

V rovnakom roku prišiel Brabham s ešte razantnejšou úpravou, keď na zadnú časť auta primontoval obrovský ventilátor, podobne ako Jim Hall na Chaparral 2J. Brabham-Alfa Romeo BT46B, ako sa auto volalo, bolo navrhnuté konštruktérom Gordonom Murrayim a pilotované Nikim Laudom. Zapretekalo si však len v jedných pretekoch, po ktorých ich FIA okamžite zakázala.

1978 – Brabham-Alfa Romeo BT46B.
1978 – Brabham-Alfa Romeo BT46B. Zdroj.

Brabham sa snažil obísť pravidlo o pohyblivých častiach vplývajúcich na aerodynamiku, kam sa obrovský ventilátor jednoznačne radí, tvrdením, že nejde o aerodynamický prvok, ale o súčasť chladiaceho systému motoru, nakoľko sa menej ako 50% výkonu používa na generovanie aerodynamického prítlaku a zbytok sa používal na chladenie.

Počas Veľkej ceny Švédska bojoval na prvom mieste Mario Andretti a Niki Lauda bol hneď za ním. Andretti nakoniec urobil jazdeckú chybu, po ktorej si poškodil monopost a neskôr preto musel aj odstúpiť. Dôvodom Andrettiho odstúpenia bol zlomený ventil, cez ktorý začal na trať unikať olej. V mieste oleja na trati museli všetky monoposty spomaliť, nakoľko olej znižuje trenie a vozidlá by sa v tých rýchlostiach nevedeli udržať na trati.

To sa však netýkalo Nikiho Laudu, ktorý bol so svojím obrovským ventilátorom schopný generovať taký obrovský prítlak, že si mohol dovoliť dokonca v danom mieste zrýchľovať. Ako inak, hneď po pretekoch boli tieto ventilátorové autá zakázané. Lotus však žiaden ventilátor nepoužíval a tak si jeho jazdci Mario Andretti a Ronnie Petterson v danej sezóne odniesli prvé a druhé miesto, čím jednoznačne demonštrovali účinnosť tohto systému. V ďalších sezónach koncept prebrali všetky tímy. V roku 1982 nasledovala séria vážnych nehôd a preto napokon FIA aj tento koncept od roku 1983, ako inak, zakázala.

Ground effect vytvára ešte jeden nepríjemný vedľajší jav, čo dostalo pomenovanie „vlnenie“ alebo „plávanie“. Ground effect je veľmi citlivý na zmenu svetlej výšky vozu. Keď vozidlo prejde cez nerovnosti, svetlá výška sa môže výrazne meniť, čím dochádza k dočasnej strate ground effectu. Asi sa pýtate, čo je to svetlá výška. Ide o vzdialenosť od zeme po najnižší bod nápravy, alebo v tomto prípade podlahy.

To má za následok, že monopost začne poskakovať a výrazne sa hojdať. Hlavne pokiaľ má monopost nastavené veľmi tvrdé zavesenie kolies, ktoré ground effect potrebuje. Preto je šoférovanie takého monopostu veľmi nepohodlné, niektorí jazdci dokonca trpeli morskou chorobou. Od ďalšej sezóny sa má ground effect vrátiť do sveta F1. Už v poslednej sezóne boli niektoré trate známe svojim nerovným povrchom. Asi najväčší problém spôsoboval povrch na trati v Jeddahu (VC Saudskej Arábie), kde sa monoposty triasli snáď v každej zákrute. Aký to bude mať efekt na ground effect v nadchádzajúcej sezóne? Rovnaký problém by mali spôsobovať prejazdy cez vysoké obrubníky. Som veľmi zvedavý ako sa s tým jazdci popasujú.

4.   Extrém za extrémom

Kedysi bolo cieľom konštruktérov dosiahnuť, aby bol ich monopost rýchlejší ako rok predtým. Dnes pri každoročných výrazných reguláciách zo strany FIA je cieľom konštruktérov v prvom rade vyrovnať sa so spomalením z predchádzajúceho roka. Ground effect vytváral enormné množstvo dodatočnej prítlačnej sily a keď ich na konci roku 1982 zakázali, tímy museli tento výpadok v prítlaku niekde kompenzovať. A tak prišli dvojité krídla.

1983 – Ayrton Senna, Toleman TG183
1983 – Ayrton Senna, Toleman TG183. Zdroj.
1983 – Ferrari.
1983 – Ferrari. Zdroj.

Našťastie aj dvojité krídla boli nakoniec zakázané. Evidentne ani osemdesiate roky neboli o nič menej extrémne ako sedemdesiate. Celkovo však vozy F1 počas tejto dekády získavali tvary dnešných vozov. Človek by povedal, že počas silnej regulácie zo strany FIA sa už podobné obludnosti objavovať nebudú. A ten človek by sa mýlil.

Píše sa rok 1997. Tyrell sa nachádzal vo finančnej kríze a tak hľadal pomerné lacný spôsob, ako získať výhodu nad konkurenciou. Po bokoch ich monopostu sa objavili „malé“ bočné krídielka. Tyrell ich pozváral zo starších nepoužitých dielov a tak sa zrodili krídla, ktoré dostali pomenovanie „xwing“ alebo „Tyrell Towers“.

Hlavnou funkciou xwingov (nie tých zo Star wars) bolo zvyšovať prítlak v zákrutách, keď sa monopost nachádzal blízko za súperom. V časoch, keď vozidlá F1 neboli tak závislé na aerodynamike, mohli pretekári jazdiť pomerne blízko za sebou. Aerodynamika vozu si dnes vyžaduje čistý, nezvírený vzduch. Dnešné monoposty sú citlivé na zvírený vzduch od vozidla vzdialeného až tri sekundy pred ním.

Monoposty z roku 2019, ktoré idú približne tri dĺžky auta za iným vozom, strácajú až 45% svojho maximálneho prítlaku. Je to rovnako veľký pokles prítlaku, ako keby mal monopost v čistom vzduchu odtrhnuté zadné krídlo.

V roku 1997 to však tím Tyrell riešil svojsky. V roku 1998 to tímy samozrejme skopírovali a tak ponúkam sériu fotografií monštier a oblúd tejto doby. Našťastie sa našli aj konštruktéri, ako napríklad vtedajší hlavný konštruktér tímu McLaren Mercedes Adrian Newey, ktorí tieto ohavnosti nikdy na svoj voz nenamontovali.

Xwings boli určite kontroverzné, nie len pre svoj vzhľad, ale aj pre relatívnu pridanú hodnotu, nakoľko čiastočne narúšali čistý vzduch prúdiaci na zadné krídlo monopostu. V dôsledku zníženej viditeľnosti z vozidla a zvýšeného počtu nebezpečných úlomkov počas nehôd boli tieto krídla, ako inak, nakoniec zakázané.

1997 – Tyrell.
1997 – Tyrell. Zdroj.
1998 – Ferrari.
1998 – Ferrari. Zdroj.
1998 – Sauber
1998 – Sauber. Zdroj.
1998 – Jordan
1998 – Jordan. Zdroj.

S dodatočnými krídielkami na jednotlivých monopostoch sa roztrhlo vrece.

2001 – Arrows.
2001 – Arrows. Zdroj.

Asi najviac do očí bijúcim príkladom, hoci ani z ďaleka nie jediným, je monopost tímu BMW Sauber z roku 2008. Asi nikoho neprekvapím, keď napíšem, že od roku 2009 sú v podstate všetky krídla, okrem predného a zadného, na monopostoch F1 zakázané.

2008 – BMW Sauber.
2008 – BMW Sauber. Zdroj.

5.   Trilógia Difúzor, F-šachta a neslušné vozy

Slovo zakázané som pri písaní tohoto článku použíl priveľa krát. Nebojte sa, neskončil som. Ako vždy po zásadnej zmene pravidiel, aj v roku 2009 bolo nutné kompenzovať stratu prítlaku. Rok 2009 bol významným z pohľadu dôležitého aerodynamického prvku, o ktorom sme sa doteraz nerozpraváli – ide o difúzor.

V roku 2009 sa objavil difúzor dvojitý. Difúzor, ako aj názov napovedá, má za úlohu rozptylovať vzduch. Zadný difúzor sa nachádza na zadnej spodnej strane vozidla, medzi zadnými kolesami, kde sa pomaly rozširuje smerom hore. Rozptyluje vzduch tečúci pod vozidlom, čím pôsobí ako zakončenie obráteného krídla.

2010 – RBR. V červenom rámčeku sa nachádza štandardný zadný difúzor.

Diera v pravidlách, ktorá platila od roku 1995, umožňovala prítomnosť dvojitého zadného difúzora. Až tri stajne započali sezónu 2009 s nasadeným dvojitým difúzorom, hoci dovtedy to žiaden tím nepoužil. Aj toto ukazuje, akú veľkú rolu hrá špionáž a fluktuácia mechanikov v jednotlivých tímoch.

Myšlienku dvojitého difúzora najlepšie spracoval tím Brown GP, ktorý práve vďaka nemu získal titul majstra sveta aj pohár konštruktérov za rok 2009. Dvojitý difúzor spôsoboval v tejto sezóne obrovské kontroverzie, k čomu prispela aj samotná FIA, ktorá bola vo svojich postojoch k legálnosti dvojitého difúzora nejednotná. No a nakoniec to dopadlo ako? Áno, po sezóne bol dvojitý difúzor zakázaný.

7 Brilliant Pieces Of F1 Technology From The Last 15 Years - Formula 1
2009 – Brown GP. Dvojitý difúzor, uprostred je vidieť druhý kanál. Zdroj.

A tak sa v roku 2010 na vozidlách RBR objavil fúkaný difúzor. Myšlienka bola jednoduchá. Vymodelovať výfukové potrubie tak, aby boli rýchle výfukové splodiny smerované práve na začiatok zadného difúzora, čím zvyšovali jeho účinnosť. Myšlienka to nebola nijak nová. Prvý krát sa objavila už v roku 1983 na vozidlách Renaultu. Neskôr obdobný mechanizmus využíval aj slávny Ayrton Senna so svojim McLarenom z roku 1991.

Problém fúkaného difúzoru je v jeho účinnosti, pretože efekt funguje, len keď výfukové splodiny tečú cez výfuk von a to sa deje len keď pridávame plyn. Naopak, do zákrut, keď brzdíme, difúzor nepomáha – aj keď práve tam potrebujeme získať prítlak. A tak sa objavili horúce fúkané difúzory. Fungovali na rovnakom princípe, ale motor mal také mapovanie, aby sa časť paliva používala na generovanie výfukových plynov, aj v čase, keď pilot plyn nepridával. Ako inak, oba varianty fúkaného difúzoru boli od sezóny 2012 zakázané.

1991 – Ayrton Senna, McLaren – fúkaný difúzor.
1991 – Ayrton Senna, McLaren – fúkaný difúzor. Zdroj.
 https://www.essentiallysports.com/5-innovative-f1-car-designs/
2010 – RBR – fúkaný difúzor. Zdroj.

FIA sa však prerátala. Objavila sa kauza známa ako „Coandov efekt“. Henri Coanda bol rumunský konštruktér, ktorý už pred rokom 1939 disponoval technológiou prúdových motorov. Nechýbalo veľa a Francúzska armáda mohla už pred Druhou svetovou vojnou disponovať prúdovým stíhacím lietadlom, avšak ako to už býva, Coanda mal problémy s financiami.

Na základe svojej práce však dal svetu iný dar – Coandov efekt. Coandov efekt je, že prúd tekutiny prúdiacej po zakrivenom objekte má tendenciu nasledovať jeho zakrivenie. Pozorovať to vieme aj doma, keď do prúdu vody vložíme obrátenú lyžičku a vidíme, akým spôsobom sa prúd bude vychyľovať.

Condov efekt.
Condov efekt.

Riešením FIA, ako obmedziť fúkané difúzory, bola povinnosť dizajnovať vývody výfukového potrubia na hornej strane monopostu – na úrovni zadnej časti bočných boxov. V poriadku, žiadny problém, Coandov efekt umožnil poslať výfukové plyny po zvažujúcich sa bočniciach priamo na difúzor obdobne, ako by tam smeroval výfuk. Najlepšie to je vidieť na vozidle RBR z roku 2012. Vozidlo RBR z roku 2013 bolo pokračovaním tohto riešenia a ako som už napísal v inej časti tohto článku, aj toto riešenie nakoniec muselo byť čo? Zakázané.

2012 – RBR, Coandov efekt.
2012 – RBR, Coandov efekt. Zdroj.

Rok 2010 priniesol ešte jednu zaujímavú kauzu. Možno si spomínate na pojem F-šachta. Prišiel s ňou McLaren Mercedes a na prvý pohľad vyzerá veľmi nevinne, ako malý výstupok na nose vozidla, no pod povrchom presahuje cez celý automobil.

F-šachta začína pri jazdcových nohách ako malý vzduchový tunel, obchádza celý kokpit, pokračuje krížom hore k hornej časti monopostu a odtiaľ smeruje priamo na zadné krídlo. Vzduchový tunel má na úrovni jazdcovho kolena otvor, cez ktorý sa do kokpitu dostáva vzduch a ochladzuje ho. Počas závodu totiž teploty v kokpite môžu presiahnuť 60 stupňov Celsia, takže chladenie kokpitu je skvelá rozprávka pre rozhodcov na krytie skutočného účelu F-šachty.

2010 – McLaren Mercedes.
2010 – McLaren Mercedes. Zdroj.

Veľký prítlak v zákrute znamená veľký odpor na rovinke a F-šachta, podobne ako dnes DRS, sa ho snaží riešiť. Ako sa jazdec dostane so svojim monopostom na rovinku, jednoducho prekryje kolenom otvor, ktorým vstupuje vzduch do kokpitu. Vzduch sa tak dostáva vzduchovodom priamo na zadné krídlo monopostu, kde je vývod dizajnovaný tak, že prichádzajúci prúd vzduchu spôsobuje vírivé prúdy za lopatkou zadného krídla. Tým sa odtŕha prúdiaci vzduch a krídlo stráca prítlak. Na rovinke sa takto dá získať nejakých 3 – 7 km/h navyše.

Keď jazdec začína brzdiť, tak jednoducho odkryje otvor, vzduch začne prúdiť do kokpitu a prítlak na zadnom krídle sa znova obnoví. Toto riešenie v dobe vzniku neporušovalo žiadne pravidlá, ani to základné o žiadnych pohyblivých častiach monopostu, ktoré maju dopad na aerodynamiku. Jedinou pohyblivou častou v celom systéme bol jazdec a ten sa nedá považovať za aerodynamický prvok vozidla. Napriek tomu, kým prišiel rok 2011, FIA F-šachtu zakázala.

2010 – McLaren Mercedes.
2010 – McLaren Mercedes. Zdroj.

Dôsledná regulácia už pokrývala každý kúsok automobilu a tak by jeden povedal, že aspoň posledná dekáda neprinesie žiadne šokujúce tvary. Ako sme videli na difúzoroch, boj medzi konštruktérmi a FIA bol v plnom prúde, ale nešlo o žiadne neestetické zásahy do vozidla. Potom ale prišiel rok 2014, rok falických symbolov.

Poloha nosu monopostu sa v priebehu dekád výrazne menila. Niekedy šiel nos čo najnižšie k zemi, aby sa využíval ako dodatočná plocha predného krídla na generovanie prítlaku. Inokedy šiel naopak nahor, akoby ho chceli používať ako taran počas starých námorných bitiek. Od roku 2009 sa nos začína dvíhať, čo vrcholilo v roku 2013. Ground effect bol v tejto dobe zakázaný a podlaha monopostu musela byť rovná.

Podlaha sa však nenachádza pod nosom vozidla a rovnako zadný difúzor vozidla je tvarovaný tak, aby vzduch mohol prúdiť smerom nahor. Pekne to je vidieť počas mokrých veľkých cien, keď sa kvapky vody dvíhajú nielen spod kolies, ale hlavne zo stredu vozidla. Dvihnutý nos spolu so zadným difúzorom dohromady pripomínajú prevrátené krídlo a my už vieme, kam to smeruje. FIA vyhlásila, že zdvihnutý nos je nebezpečný, a tak došlo k úprave pravidiel.

Myšlienkou bolo nos znížiť a predĺžiť, čím mala vzniknúť väčšia deformačná plocha pri nehode. Pravidlá jasne hovorili o minimálnej dĺžke a šírke nosa. Pravidlá však pravdepodobne počítali s postupným zošpicatením nosa, čo sa však ukázalo, ako veľmi zlý predpoklad. Doba falusová skončila v F1 zmenou pravidiel v roku 2015. Treba však zdôrazniť, že nie každý tím podľahol tomuto trendu.

2014 – Caterham
2014 – Caterham. Zdroj.
2014 – Red Bull.
2014 – Red Bull. Zdroj.

6.   Súčastnosť

Dostávame sa do súčasnosti. Veľké regulácie zo strany FIA spôsobili, a to platí dodnes, že sa tímy ženú doslova za každou tisícinou sekundy. Do roku 2018 jednotlivé tímy vynakladali astronomické prostriedky na vývoj predných krídiel. Komplikované krídla spôsobovali výraznejší nečistý vzduch, čo samozrejme komplikuje predbiehanie. Okrem toho si menšie tímy nemohli dovoliť vynakladať tak veľké prostriedky na tak malý časový zisk a tak sa FIA rozhodla zakročiť úpravou pravidiel už medzi sezónami 2018 a 2019.

V dnešnej dobe sa aj samotná FIA snaží kompenzovať stratu prítlaku po svojich rozhodnutiach. Predné krídla v roku 2019 oproti tým z roku 2018 mali byť jednoduchšie, bez akýchkoľvek prídavných krídielok, ale na druhej strane boli väčšie a širšie. Zjedušené krídla sa síce objavili, ale vozidlá jazdiace za inými stále strácali výraznú porciu prítlaku. Tímy okrem toho míňali ešte väčšie finančné prostriedky na vývoj predného krídla a tak sa vlastne nakoniec nič nevyriešilo.

Aby ste videli, ako veľmi to bolo dôležité, dovolím si tvrdiť, že predné krídlo pravdepodobne rozhodlo o majstrovi sveta za rok 2019. Počas sezóny 2019 sa objavili dva rozdielne koncepty predného krídla, ktoré reprezentovali značky Ferrari a Mercedes. Ferrari okrem toho disponovalo jednoznačne najvýkonnejším motorom, čo sa ukázalo na tratiach ako Monza v Taliansku, kde na dobrej aerodynamike vozu záleží menej. Naopak, na tratiach náročných na aerodynamiku nemali vozy Ferrari šancu vyrovnať sa Mercedesom.

Ferrari začalo dobiehať stratu až ku koncu roka, keď začali opúšťať svoj preferovaný koncept krídla – o dôležitosti predného krídla som už písal – usmerňuje vzduch okolo predných kolies. Koncept Ferrari usmerňoval vzduch okolo bočnej strany kolies, zatiaľ čo koncept Mercedesu usmerňoval vzduch ponad predné koleso. Koncept Ferrari sa tým pádom nakoniec ukázal byť slepou cestou a od roku 2020 prišiel so štandardnejším krídlom, ktorého krídielka na vonkajšej strane nie sú tak veľmi utopené ako boli v roku 2019, ale viac sa podobajú na riešenie s ktorým prišiel Mercedes.

2018 – Mercedes, predné krídlo.
2018 – Mercedes, predné krídlo. Zdroj.
2019 – Mercedes – predné krídlo.
2019 – Mercedes – predné krídlo. Zdroj.
2019 – Ferrari – predné krídlo.
2019 – Ferrari – predné krídlo. Zdroj.

Rok 2020 sa zásadným kontroverziám vyhol. Išlo o sezónu, ktorá bola silne ovplyvnená pandémiou. Celá sezóna začala s niekoľko mesačným meškaním a nakoniec ani nebolo isté, či sa nezruší úplne. Sezóna sa nakoniec odjazdila, ale zásadné konštrukčné návrhy v aerodynamike sa neobjavili. Druhým dôvodom, mala byť sezóna 2021, od ktorej mali platiť úplne nové pravidlá. Mnohé tímy sa sústredili na vývoj nového vozidla a jednoducho do starého už moc nechceli investovať. Spomeniem akurát tím Mercedes, ktorý počas sezóny 2020 prišiel so systémom DAS (Dual Axis Steering), ktorý umožňoval meniť zbiehavosť respektíve rozbiehavosť kolies podľa toho či sa vozidlo nachádzalo v zákrute alebo na rovinke. Ako inak aj DAS bol nakoniec zakázaný. Žiadne ďalšie výrazné úpravy sa neobjavili.

Zásadná zmena pravidiel sa z roku 2021 posunula o rok neskôr, na rok 2022. To spôsobilo, že tímy investovali do vývoja pôvodných monopostov ešte menej. Napríklad tím Haas neinvestoval do vozidla v roku 2021 ani jeden dolár a odjazdil celú sezónu na rovnakom vozidle ako pred rokom. Bohužial pre fanušíkov Haas, na výsledkoch to bolo aj vidieť. Okrem toho v sezóne 2021 začal platiť systém tokenov, čím sa snažila FIA zabrániť bohatým tímom pokračovať duálne vo vývoji starého aj nového monopostu. V podstate sa jednotlivé časti vozidla zmrazili a tímy sa mohli sústrediť iba na niektoré vylepšenia za ktoré „platili“ tokenmi.

Hoci sezóna 2021 bola chladná na vývoj nových konštrukčných riešení, samotným pretekom to nijako neubralo na atraktivite a asi každý fanušik F1 si tento rok zapamätá. Ja sa však v tomto článku vrátim k jednej zaujímavej vychytávke s ktorou prišiel tím Mercedes po VC Veľkej Británie (Silverstone), hoci veľký ohlas nastal až po VC USA. Týkala sa zavesenia zadných kolies a hoci som v inej časti písal, že o závesoch nebudem rozprávať, tento systém od Mercedesu je pre nás zaujímavý, pretože má dopad na ground Effect.

Mercedes prišiel s novým zavesením, ktoré mu umožňovalo položiť zadnú čast vozidla nižšie v závislosti na aktuálnej rýchlosti vozidla. Čim išlo vozidlo rýchlejšie, tým vplýval na zadnú časť silnejší prítlak, ktorý tlačil zadok vozidla bližšie k vozovke. Vozidlo si sadlo tak nízko, že sa ground effect vznikajúci pod autom vypol. To vo výsledku umožnilo vozidlu ísť na rovinkách rýchlejšie, lebo nemuselo so sebou nosiť takú zátaž spôsobenú prítlakom. Ground effect v minulých sezónach bol zakázaný tým, že vozidlá museli mať rovnú podlahu.

To však nestačí na jeho úplné potlačenie a ako sme si ukazovali pri zadnom difúzore, konštruktéri sa snažili využívať aj to málo čo im pravidlá povoľovali. Mercedes sa túto dodatočnú rýchlosť rozhodol použiť na väčšie zadné krídlo, čím získavali oproti konkurencií dodatočnú rýchlosť v zákrutách.

Hoci adaptabilné zavesenie kolies je zakázané a v minulosti bolo okolo toho veľa pokusov, tento systém od Mercedesu je legálny, čo uznal aj samotný Red Bull. Nový záves nepotreboval žiadnu dodatočnú hydrauliku ani elektroniku. To všetko by z neho robilo nelegálne riešenie. V Mercedese si vystačili len s pružinami a piestami a o všetko sa starala fyzika. Red Bull by ho následne veľmi rád okopíroval, ale ich filozofia vozidla bola postavená inak ako v Mercedese a takéto zavesenie kolies im neumožňovala.

Red Bull spadal medzi tímy, ktorých vozidlá patrili medzi „High Rake“. Neviem či k tomu existuje slovenský preklad, ak áno, rád ho doplním. Možno by sa to dalo preložiť ako sklon vozidla, ale pre jednoduchosť budem používať výraz Rake.

Rake hovorí vlastne o tom, pod akým uhlom je podlaha monopostu vzhľadom k vozovke. Pokiaľ je Rake pozitívny, znamená to, že zadná časť vozidla je vyššie ako predná. Ak je negatívny, tak naopak. Negatívny rake sa v automobilových závodoch nepoužíva. High rake znamená, že podlaha vozidla je pod relatívne veľkým uhlom. Píšem relatívne, lebo podlaha Red Bullu bola vychýlená len o 2 stupne.

Výrazné zmeny v nastavení rake vozidla sú merané v milimetroch, až tak veľmi je vozidlo citlivé na tento parameter. Naopak, Mercedes mal vozidlo, ktoré patrilo medzi „Low Rake“. Tieto vozidlá majú podlahu rovnobežnejšiu vzhľadom na vozovku. Obe filozofie majú svoje výhody aj nevýhody. Vozidlo s high rake maximalizuje využitie ground effectu. Rozširuje zadnú časť vozidla výraznejšie, a generovaný prítlak je väčší ako pri vozidlách s low rake. Tie naopak môžu byť dlhšie, lebo je jednoduchšie udržať stabilný prúd vzduchu pod vozidlom. Okrem toho tým, že vozidlo je skôr vo vodorovnej polohe, odpadajú mnohé problémy s nežiadúcimi vzduchovými vírmi okolo vozidla, zároveň je jednoduchšie umiestniť zadnú nápravu a prevodovku a podobné drobné problémy.

Rozdiel medzi high rake a low rake vozidlom je zároveň dôvod, prečo si Mercedes mohol dovoliť nové riešenie zadnej nápravy a Red Bull nie. Red Bull by to bez dodatočných komponentov nedokázal a s nimi by sa dostal do zakázanej oblasti.

High Rake / Low Rake porovnanie.
High Rake / Low Rake porovnanie. Zdroj.

7.   Sezóna 2022, krok do neznáma

Od roku 2022 budú platiť nové pravidlá so zameraním na jednoduchšie predbiehanie monopostov. Nová úprava pravidiel sa snaží zjednodušiť aerodynamiku celého vozidla tak, aby nevznikal výrazný nečistý vzduch. Podľa prepočtov by mala strata klesnúť zo 45% až k hranici 18%. V mierne väčšej vzdialenosti, približne 4-5 áut, to bude dokonca len okolo 4%.

Tímy stratia výraznú porciu prítlaku. Strata bude kompenzovaná vďaka ground effectu, kedy pod autom budú dva veľke vzduchové kanály vytvorené za týmto účelom. Predné krídlo bude oveľa jednoduchšie. Zároveň bude modelované tak, aby nečistý vzduch naviedlo plynulo okolo vozidla – narozdiel od riešenia z posledných sezón, kedy predné krídlo odhadzovalo nečistý vzduch úplne mimo vozidla, alebo ho smerovalo pod auto, kde ho nasával zadný difúzor a hádzal ho do tváre monopostu jazdiacim za ním.

Tak isto prejde zmenou aj zadné krídlo, ktoré svojim tvarom bude vytvárať dva vírivé prúdy, ktoré budú strhávané prúdom zo zadného difúzora. Zadný difúzor bude strmejší, čo znamená, že vzduch za autom bude stúpať strmšie smerom hore, cestou so sebou bude brať vírivý prúd zo zadného krídla. Celá myšlienka je, aby vozidlo jazdiace za vami jazdilo pod týmto nečistým vzduchom – a nie v ňom ako doteraz.

Taktiež prejdú zmenou aj kolesá. Tie sa zväčšia z 13-palcových, na akých sa jazdilo dobrých 30 rokov, na 18-palcové. Zároveň sa vráti prekrytie kolies, ktoré bolo naposledy viditeľné na monopostoch v roku 2009. Toto prekrytie má za následok hneď niekoľko pozitívnych efektov. V prvom rade vzduch bude obtekať koleso plynulejšie a zníži sa turbulentné vírenie, teda nečistý vzduch za vozidlom. Tomu dopomôže aj nižšia bočnica gumy. Tá sa bude v zákrutách menej krútiť a kriviť, čo tiež dopomáha k zníženej tvorbe vírivých prúdov. Prekrytie kolies taktiež bude fungovať ako dodatočná výstuž a kolesá budú tým pádom pevnejšie. A v neposlednom rade, veľke 18 palcové kolesá s nízkym profilom budú mať tendenciu sa prehrievať. Bočne prekrytie kolies by toto prebytočné teplo malo odvádzať a kolesá by sa tak mali lepšie chladiť.

3D Formula 1 Season 2022 F1 Race Car Concept model https://p.turbosquid.com/ts-thumb/EW/hy20tU/1r/prev01sw/jpg/1627021158/1920x1080/fit_q87/28c0176a1b7cbe711d88b7525b56ea599d902f93/prev01sw.jpg
2022 – Koncept. Zdroj.

Dúfam, že vás tento článok presvedčil, že formule nie sú len o pilotoch, ale aj o konštruktéroch a hlavne fyzike. Ak vás táto téma zaujala, v kníhkupectvách sa dá zohnať výborná kniha od Adriana Neweyho – Ako postaviť monopost F1. Adrian Newey, ktorý patrí k najlepším konštruktérom monopostov F1 súčastnosti, v knihe postupne prechádza niekoľko posledných dekád v F1 a vracia sa v nej k tak významným míľníkom, akou bola zlatá éra Williamsu, nehoda Ayrtona Sennu, rivalita Michaela Schumachera a Miku Häkkinena, prípadne éra víťazstiev Sebastiana Vettela. Ale ako som už povedal – formula nie je len o nich.

[Martin]

Martin vyštudoval biomedicínsku fyziku na FMFI UK, dnes sa venuje programovaniu v bankovom sektore.

Pridaj komentár