Za horizontem rychlosti: Aerodynamika a její vliv na výkon 1. část

Konstrukcí vozu to všechno teprve začíná. Aerodynamika zůstává klíčovým faktorem i během celé závodní sezóny, kdy se většina vývojových úprav a vylepšení soustředí právě na ni. Aerodynamická zařízení na voze fungují podobně jako křídlo na letadle, ale s jedním zásadním rozdílem. Namísto vytváření vztlaku, který letadlu umožňuje vzlet, vytvářejí na voze přítlak, který ho tlačí k zemi a zlepšuje jeho přilnavost k trati.

Často se říká, že moderní vozy formule 1 dokážou vygenerovat tolik přítlaku, že by mohly jezdit po stropě. Je to ale skutečně možné? Pokud se podíváme na fakta, zjistíme, že přítlak závisí na rychlosti vozu. Při maximální rychlosti je přítlak, který vůz vytváří, několikanásobně vyšší než jeho hmotnost. Teoreticky tedy ano, vůz by mohl jet vzhůru nohama, respektive vzhůru kolama. Například na italské Monze, kdyby se po celé délce rovinky táhl tunel, by při dosažení maximální rychlosti pilot mohl opravdu jezdit hlavou dolů!

1/ I’m going to drive an ‘F1’ car upside down in a tunnel for 5 seconds.

Sounds crazy, right? Well, it is possible.

I know as we’ve spent multiple six-figures on R&D finding out.

Here’s what’s happened so far: pic.twitter.com/c5d9jUPTvF

— Scott Mansell (@scottkmansell) October 13, 2023

Základní principy aerodynamiky

Dvě hlavní priority aerodynamiky jsou maximalizace přítlaku a minimalizace odporu. Přítlak umožňuje vozu projíždět zatáčkami vyšší rychlostí. Aerodynamický odpor je síla, která brání pohybu vozu vpřed. Přítlak i odpor jsou závislé na rychlosti, což znamená, že s rostoucí rychlostí vozu se přítlak i odpor zvyšují neúměrně (například pokud se rychlost vozu zdvojnásobí, aerodynamické síly se zvýší čtyřnásobně).

Pro lepší představu o silách působících na vůz uvedeme konkrétní příklady: Pokud pilot při maximální rychlosti sundá nohu z plynu, tento jednoduchý úkon způsobí zpomalení, při kterém se vytvoří odpor o síle přibližně 1 G. Při téže maximální rychlosti, díky aerodynamickým zařízením, jako jsou přední a zadní křídlo nebo difuzor, může naopak úroveň přítlaku dosáhnout až pětinásobku hmotnosti vozu, tedy téměř 4 000 kilogramů (rok 2021).

Hlavními nástroji používanými pro aerodynamický vývoj jsou aerodynamický tunel a simulační softwary CFD (Computational Fluid Dynamics). Oba nástroje se vzájemně doplňují a hrají klíčovou roli při návrhu nového vozu nebo vývoj nových dílů.

Maranello Live: an aerial view of the Renzo Piano-designed #Ferrari wind tunnel. pic.twitter.com/r9I9mlCVEl

— Ferrari (@Ferrari) June 22, 2016

Věda o aerodynamice je složitým tématem, které v posledních letech zaznamenalo snad největší pokrok ze všech oblastí vývoje vozů v F1. Je to tak rozsáhlé téma, že se mu zde nebudeme věnovat do hloubky, protože by to vyžadovalo pochopení složitých matematických výpočtů.

Cílem aerodynamiků je navrhnout vůz, který poskytuje optimální přítlak (nikoli nutně maximální) pro zlepšení přilnavosti, rychlosti průjezdu zatáčkami a zrychlení, protože větší přítlak může často zvýšit také zrychlení. Zároveň se snaží minimalizovat odpor. Dalším cílem je dosáhnout aerodynamické stability, aby se úrovně přítlaku dramaticky neměnily při naklánění a zatáčení vozu. Pokud vůz trpí nestabilitou, výrazně to ovlivní jeho ovladatelnost i důvěru pilota v jeho schopnost tlačit vůz na absolutní hranu pro dosažení maximálního výkonu.

Princip funkce křídel na závodním voze

Přední a zadní křídlo na závodním voze funguje podobně jako křídlo letadla, ale s tím zásadním rozdílem, že je otočeno tak, aby generovalo přítlak směrem k zemi, nikoliv vztlak nahoru. Tento přítlak vzniká díky speciálnímu tvaru křídla, který způsobuje, že vzduch proudící pod křídlem musí urazit delší dráhu než vzduch nad ním. To vede k jevu zvanému „oplach“ (v angličtině upwash).

To znamená, že vzduch procházející pod křídlem se musí zrychlit s doprovodným poklesem tlaku (pokud dojde ke zrychlení vzduchu, tak klesne tlak, protože podle fyzikálních zákonů musí celková energie zůstat konstantní), což vytváří opačnou sílu, která tlačí auto k zemi.

Když vzduch proudí po povrchu křídla, má tendenci se oddělovat od spodního povrchu křídla. Toto „oddělení proudění“ zvyšuje odpor křídla a nakonec může vést k úplnému rozpadu proudění, což způsobí, že se křídlo „zastaví“. Když se křídlo zastaví, ztrácí většinu své schopnosti generovat přítlak i odpor. V kontextu vozu F1 by to bylo velmi nežádoucí, protože náhlá ztráta přítlaku by dramaticky ovlivnila ovladatelnost vozu, což by mohlo vést k nebezpečné situaci na trati.

Čím strmější je úhel zadního křídla, tím větší přítlak dokáže produkovat. Tento zvýšený přítlak ale také zvyšuje riziko, že dojde k oddělení proudění vzduchu od křídla. Aby se toto riziko snížilo, je potřeba zrychlit proudění vzduchu pod spodní plochou křídla. Toho lze dosáhnout rozdělením křídla na dva prvky se štěrbinou mezi nimi. Vysokotlaký vzduch z horní části hlavního křídlového prvku pak proudí skrz tuto štěrbinu, což pomáhá urychlit proudění vzduchu pod křídlem. Obecně platí, že čím více štěrbin a křídlových prvků se použije, tím strmější může být úhel hlavního prvku a tím větší přítlak lze generovat.

Aerodynamika a předjíždění

V posledních letech kombinace předpisů, se kterými týmy musely pracovat, a důraz na výkon v jednom kole během kvalifikace vedly k tomu, že vozy byly extrémně aerodynamicky efektivní v takzvaném čistém vzduchu, tedy když nenásledují jiný vůz. Naopak byly méně efektivní ve špinavém vzduchu, což znamená, že při těsném souboji s jinými vozy dochází ke ztrátě přítlaku. To snižuje možnosti předjíždění a vede k menšímu počtu soubojů kolo na kolo, což je pro diváky méně atraktivní.

Když monopost těsně následuje jiný vůz, celkový tlak vzduchu na tento vůz se sníží, protože se ocitne v oblasti nízkého tlaku vzduchu, kterou vytvořilo auto před ním. To vede ke snížení přítlaku na stíhajícím voze, což nejvíce postihuje přední křídlo. Vzduch, který by normálně proudil přes přední křídlo, je kvůli zadnímu křídlu vozu před ním směrován nahoru, což dále snižuje účinnost přítlaku a ztěžuje řízení vozu. Zároveň však stíhající vozidlo získává výhodu sníženého aerodynamického odporu, což mu umožňuje lépe se přiblížit k vozu před ním.

Kvůli problémům s předjížděním zavedla Mezinárodní automobilová federace různé změny pravidel, počínaje roky 2009/2010, kdy bylo představeno nařízení týkající se nastavitelných předních křídel. Cílem bylo zlepšit možnosti předjíždění tím, že piloti mohli maximálně dvakrát za kolo změnit úhel hlavní klapky na předním křídle. Tato změna umožnila zvětšit úhel klapky a získat část ztraceného přítlaku, což usnadnilo přiblížení k pronásledovanému vozu. Bohužel se však tento systém setkal s omezeným úspěchem a v roce 2011 byl zrušen.

Je ironií, že po kritice výkonu vozů po zavedení hybridních jednotek v roce 2014 byly zavedeny také změny v předpisech s cílem zvýšit úrovně přítlaku a tím zvýšit rychlost v zatáčkách a zkrátit časy na kolo. Paradoxně však tyto změny často vedly k opačnému efektu, kdy došlo k výraznějšímu rozvíření vzduchu za vozem, což dále ztížilo možnosti předjíždění.

Aby se tyto problémy vyřešily, byly v poslední době zavedeny různé změny předpisů zaměřené na minimalizaci vlivu špinavého vzduchu. S příchodem nových pravidel v roce 2022 simulace předpověděly, že vozy konstruované pro tento rok by měly být schopny udržet přibližně 82 % svého maximálního přítlaku při delším sledování jiného vozu ve slipstreamu. Tyto revidované předpisy jsou mnohem přísnější v tom, jaké části vozu lze využít k aerodynamickému zisku. Na druhou stranu ale dávají aerodynamikům nové příležitosti přicházet s inovativními nápady.

Ever wondered what the ‚dirty air‘ behind an F1 car looks like?
Well @SimScale has simulated it for us! #CFD #Hypnotic 🤩🏁 pic.twitter.com/FZfkeKKJ3x

— Racecar Engineering (@RacecarEngineer) February 17, 2018

Aerodynamické komponenty monopostu

Některé díly na voze, jako přední a zadní křídlo nebo difuzor, jsou navrženy především z aerodynamických důvodů. Bez podpory ostatních součástí by však jejich efektivní fungování bylo velmi obtížné. Například podlaha vozu sama o sobě nedokáže generovat dostatečný přítlak bez spolupráce s předním a zadním křídlem. V praxi to znamená, že přední křídlo je tvarováno tak, aby směrovalo část vzduchu na podlahu, odkud putuje vzduch do difuzoru. Difuzor pak spolupracuje se zadním křídlem, což společně optimalizuje přítlak.

S návratem přisavného efektu v roce 2022 se tato spolupráce mezi aerodynamickými součástmi stala ještě důležitější. Některé komponenty vozu jsou při vytváření přítlaku efektivnější než jiné. Například zvýšení přítlaku generovaného předním a zadním křídlem je téměř vždy spojeno s nárůstem odporu. Naopak difuzor, který využívá Venturiho efekt k vytváření přítlaku, je v tomto ohledu mnohem efektivnější, protože dokáže generovat značnou část přítlaku s relativně malým odporem.

Aerodynamické nastavení

Celkový aerodynamický balíček monopostu vyžaduje jedinečné nastavení pro každý okruh, které se kombinuje s mechanickým nastavením vozu. Každý okruh má svá specifika, a proto vyžaduje odlišný balíček. Například Monza je známá nízkým přítlakem, zatímco Monako vyžaduje vysoký přítlak. Belgické Spa a kanadský Montreal zase vyžadují nastavení se středním přítlakem. Protože přítlak i odpor rostou s rychlostí, tratě pro formuli 1 obvykle obsahují kombinaci nízkorychlostních a vysokorychlostních zatáček, což znamená, že aerodynamický výkon je vždy pro konkrétní trať výsledkem kompromisu.

V ideálním světě je vysoká úroveň přítlaku vhodná pro pomalé zatáčky, zatímco pro rychlé zatáčky a rovinky je lepší nízký přítlak (a tím i nižší odpor). Ve skutečnosti, pokud pomineme systém DRS, je aerodynamická konfigurace vozu během závodu pevně daná, což vyžaduje kompromis v kombinaci s mechanickým nastavením. K tomu se přidávají i další faktory, jako například počasí. Závod na mokru znamená nižší mechanickou přilnavost, takže vyšší přítlak je obecně užitečný pro částečné nahrazení ztracené přilnavosti.

Tímto jsme získali základní představu o tom, jak funguje aerodynamika vozu. V příští části se podíváme na konkrétní součásti monopostu a jejich vliv na celkové proudění vzduchu kolem vozu.