Přední křídlo

Přední křídlo patří k nejdůležitějším aerodynamickým prvkům monopostu, protože usměrňuje proudění vzduchu, který následně obtéká celý vůz. Hraje klíčovou roli v celkové aerodynamické účinnosti a podílí se až na třetině generovaného přítlaku.

Jeho detailní zpracování a povrchová úprava mají zásadní vliv na výkon, proto týmy věnují mnoho času jak počítačovým simulacím (CFD), tak testům ve větrném tunelu, aby dosáhly co nejlepších výsledků. Přední křídlo se během celé sezóny téměř neustále upravuje, i když možnosti těchto změn byly výrazně omezeny zavedením nových předpisů v roce 2022.

V minulých letech se složitost předního křídla a jeho prvků výrazně zvýšila, protože, jak jsme již zmínili, právě ono usměrňuje proudění vzduchu kolem celého monopostu. Používaly se mnohovrstvé křídlové prvky, lopatky a generátory vírů, které byly navrženy tak, aby spolupracovaly s dalšími aerodynamickými částmi vozu, jako byly například natáčecí lopatky („barge boards“), které zajišťovaly hladší proudění vzduchu po stranách vozu.

Aby se snížil vliv ztráty přítlaku při jízdě za jiným vozem v turbulentním vzduchu, mnoho z těchto prvků bylo pro sezónu 2022 odstraněno. Nové předpisy nyní vyžadují mnohem jednodušší konstrukci předního křídla s maximálně čtyřmi prvky a jednoduššími koncovými deskami.

Přední křídlo obsahuje nastavovací mechanismus, který umožňuje snadné doladění úrovně přítlaku. Mechanici mohou křídlo upravit ručně během zastávky v boxech. Tím, že se jemně nastaví úhel vztlakových klapek (poslední nebo předposlední prvky křídla na každé straně, jak je zavedeno od roku 2022), lze ovlivnit vyvážení vozu. Tyto úpravy pomáhají kompenzovat různé konfigurace zadního křídla a doladit nedotáčivost nebo přetáčivost podle potřeb řidiče. Zvýšení úhlu klapek snižuje nedotáčivost přidáním přítlaku vpředu, zatímco jejich snížení omezuje přetáčivost snížením předního přítlaku.

Z kterých částí se skládá přední křídlo?

Skládá se ze tří hlavních součástí, které jsou vyrobeny z uhlíkových vláken:

• Křídlové prvky – Maximální počet těchto prvků je 4. Musí být připojeny přímo k nosu monopostu na vnitřních koncích a ke koncovým deskám na vnějších koncích. Buď nejzadnější prvek, nebo dva nejzadnější prvky mohou být nastavitelné, aby umožnily snížení aerodynamického zatížení.
• Koncové desky – Svislé desky připevněné ke každému konci křídlové sestavy. Mají dvě hlavní funkce: pomáhají řídit proudění vzduchu přes prvky předního křídla tím, že zabraňují úniku vzduchu po stranách křídla. Zároveň usměrňují turbulentní vzduch ven od vozu, čímž zabraňují jeho proudění pod podlahu a do difuzoru.
• Vodící plošky – známé také jako „diveplanes“. Tyto povinné prvky vytvářejí vír, který směřuje proudění vzduchu do vozu místo ven, a zároveň generují určitou míru přítlaku.

Předpisy zavedené v roce 2022 stanovují, že přední křídlo může mít maximálně čtyři prvky a musí mít integrované koncové desky. Nejnižší část spodního prvku musí být umístěna výše nad zemí než dříve, aby se snížil přítlak generovaný předním křídlem a zároveň se snížila citlivost vozu na změny sklonu (změny přítlaku při změně výšky křídla nad tratí). Od roku 2022 je profil předního křídla při pohledu shora výrazně posunut dozadu oproti křídlům z let 2017 a 2019, přičemž vnitřní spodní části koncových desek musí splývat s prvky křídla.

Nové předpisy také nařizují, že koncové desky musí být vyrobeny z předepsaného typu karbonového materiálu, který při poškození zabrání tvorbě karbonových úlomků. Tyto úlomky by mohly způsobit defekty pneumatik nebo další poškození okolních vozů.

Jak zde vlastně proudí vzduch?

Hlavní rozdíl mezi předním a zadním křídlem spočívá v tom, že přední křídlo je umístěno blízko k zemi. To způsobuje, že pracuje v takzvaném „přísavném efektu“, což komplikuje proudění vzduchu okolo něj. Kromě toho blízkost předních kol ovlivňuje proudění vzduchu kolem komponentů předního křídla. Jak už bylo zmíněno, design předního křídla má zásadní vliv na celkové proudění vzduchu kolem vozu, což ovlivňuje účinnost podlahy, difuzoru i zadního křídla.

V minulosti například víry vytvářené vnitřními hranami prvků předního křídla mohly být kontrolovány konstrukcí různých komponentů, včetně otočných lopatek, které usměrňují vzduch směrem k podlaze, kolem kol, boků vozu a k zadnímu křídlu. Tyto víry, známé jako Y-250, byly klíčové pro aerodynamiku vozu. To je také důvod, proč byla konstrukce předního křídla, zejména jeho vnitřních hran, velmi složitá a často se měnila během sezóny.

If you notice, those spiral 🌀 vortexes coming from the edge of the from winglet has been reduced by a margin , even the dirty air flow with spray looks much smother from the back end, looks like that floor wind tunnel is take a lots of the air in ,explains why front wing is high pic.twitter.com/wOwz4iz4VT

— ahmed baokbah 🇸🇦🏎✈️ (@ahmed_baokbah) February 16, 2022

Od roku 2022 ale nové předpisy zakázaly vytváření těchto vírů, protože všechny prvky předního křídla musí být nyní připojeny přímo k nosu vozu. Koncové desky předního křídla navíc silně ovlivňují proudění vzduchu směrem k zadní části vozu a tím i přítlak generovaný zadním křídlem.

Vzdálenost mezi předním křídlem a zemí má velký vliv na přítlak a tím i na celkové vyvážení vozu. Je proto důležité, aby tato vzdálenost zůstávala co nejstálejší. Tento faktor hraje klíčovou roli v tom, co se nazývá „stabilní aerodynamická platforma“. K dosažení této stability je nutné správné mechanické nastavení vozu i pečlivý design aerodynamických prvků. Stabilní aerodynamická platforma je důležitá pro snadnější ladění vozu a zajišťuje předvídatelné ovládání, které přispívá k optimalizaci výkonu.

Stará známá flexibilita

Jak jsme si vysvětlili v minulém díle o šasi, materiály z uhlíkových vláken umožňují vrstvit uhlíkové pláty tak, aby konstrukce byla tuhá při ohybu, ale pružná při kroucení, nebo naopak. To umožňuje navrhnout křídlo s určitým stupněm ohybu, čímž se zvyšuje jeho efektivita.

Tento princip byl poprvé využit na počátku 90. let, zejména u Williamsu FW14B v roce 1992, který byl vybaven horizontálními „nástupními deskami“ sahajícími pod přední zavěšení a za zadní okraje předních pneumatik. Při zatížení se křídlo může mírně ohnout dozadu, což sníží úhel náběhu křídlových prvků a tím i odpor. Tento efekt, podobný jako u DRS, ale v menší míře, přináší výhodu na rychlých úsecích tratí, zejména na rovinkách, kde je důležité snížení odporu a přítlaku pro dosažení vyšší rychlosti.

Díky modernímu softwaru mohou nyní týmy optimalizovat vrstvení uhlíkových vláken, aby dosáhly požadované rovnováhy mezi pevností v ohybu a torzní tuhostí, což pomáhá optimalizovat výkon předního křídla i dalších komponentů. Tento princip ohýbání křídla se v konstrukci vozů F1 používá posledních 30 let a předpisy umožňují určitý stupeň prohnutí, protože není možné navrhnout křídlo, které by se při vysokých rychlostech pod aerodynamickým zatížením vůbec neohýbalo.

𝐅𝟏 𝐟𝐫𝐨𝐧𝐭 𝐰𝐢𝐧𝐠 𝐟𝐥𝐞𝐱 𝐜𝐨𝐦𝐩𝐚𝐫𝐢𝐬𝐨𝐧 🧐🏎️⚙️

Thanks to aeroelasticity of the advanced materials used on the F1 front wings we can see that the wing is pushed downwards at maximum speeds because of the huge downforce generated by the car.
–#F1 #AzerbaijanGP pic.twitter.com/ioQHc4BK99

— aerodynamics.motorsport1 (@Aerodynamics_M1) September 13, 2024

Aby se zajistily rovné podmínky mezi týmy, FIA stanovila statické zátěžové testy, které mají zajistit, že průhyb křídel nepřekročí povolené limity. Jak však víme, týmy našly způsoby, jak tyto testy jednoduše obejít. Mezinárodní automobilová federace proto plánuje od roku 2025 testy zpřísnit. Přední křídlo je dlouhodobě problematickou oblastí, protože aerodynamické zatížení se u různých týmů liší. Je proto obtížné stanovit jednotný vektor zatížení, který by platil pro všechny typy konstrukcí předních křídel.

Zadní křídlo

V posledních letech zadní křídlo generovalo až třetinu celkového přítlaku vozu, což je klíčové pro jeho aerodynamický výkon. Zadní křídlo v konfiguraci pro vysoký přítlak, jaké se používá například v Monaku, může při maximální rychlosti vytvářet více než jednu tunu přítlaku. V 90. letech týmy na tratích vyžadujících vysoký přítlak často používaly víceprvková zadní křídla pro zvýšení přítlaku.

Postupně však FIA zavedla předpisy zaměřené na omezení úrovně přítlaku, což zahrnovalo zákaz těchto víceprvkových křídel. Od roku 2004 předpisy omezují týmy na používání pouze dvouprvkových zadních křídel. Vývoj zadních křídel v posledních letech přinesl i změny v designu koncových desek, které jsou navrženy tak, aby optimalizovaly proudění vzduchu přes křídla a minimalizovaly víry vytvářející odpor.

V letech 2010 až 2016 předpisy stanovovaly relativně úzká zadní křídla s horní částí ve stejné výšce jako vrchol vzduchové komory. Výsledkem bylo, že mnoho vozů mělo velmi vysoké koncové desky, které zasahovaly až do spodní části podlahy. To vedlo k rozšíření účinnosti difuzoru. Změny pravidel v roce 2017 však vyústily v nižší a tlustší zadní křídla, což byl jeden z hlavních důvodů, proč jsme mohli opět možnost na vozech vidět takzvanou „žraločí ploutev“.

Až do sezóny 2010 bylo zadní křídlo poměrně samostatnou součástí, skládající se ze dvou prvků (horní prvek a hlavní křídlo), které byly namontovány přes koncové desky na spodní konstrukční nosník. Tento nosník sloužil jako hlavní držák křídla a byl připevněn k horní části převodovky nebo zadní nárazové konstrukce. Některé týmy používaly alternativní systém, kde bylo křídlo podepřeno jedním nebo dvěma pylony u středové osy vozu. V roce 2010, s přijetím systému F-duct, se design zadního křídla stal mnohem složitější a křídlo bylo více integrováno do zadní části vozu, což vyžadovalo podstatné úpravy. Po zákazu F-ductu od roku 2011 už nebylo možné zadní křídlo integrovat stejným způsobem a od roku 2014 předpisy také zakázaly používání „paprskového křídla“, které výrazně přispívalo k přítlaku.

Jak již bylo zmíněno, předpisy pro zadní křídlo v roce 2017 stanovily další snížení jeho výšky a zvětšení šířky, aby se usnadnilo předjíždění. V důsledku těchto změn se koncové desky staly stále složitějšími a obsahovaly řadu aerodynamických drážek a štěrbin. Tyto prvky slouží k jemnému doladění proudění vzduchu, což umožňuje maximalizovat přítlak a zároveň snížit odpor.

V roce 2019 byly zavedeny další změny předpisů jako první krok k zásadním úpravám plánovaným pro rok 2022, které měly zlepšit možnosti předjíždění. Stejně jako u změn ovlivňujících přední křídlo bylo i zadní křídlo zvětšeno – stalo se širším a hlubším. Křídlo bylo také umístěno výše. Cílem těchto změn bylo zlepšit účinnost systému DRS a tím vytvořit více příležitostí k předjíždění. Větší zadní křídlo sice zvýšilo přítlak, ale také vytvořilo větší odpor. V kombinaci s větší „mezerou“ mezi prvky křídel se zvýšil celkový účinek systému DRS.

Zadní křídla po roce 2022

Zadní křídlo bylo jednou z nejvýznamnějších oblastí změn v předpisech pro rok 2022, zejména proto, že výrazně přispívá k vytváření aerodynamické brázdy za vozem. Jedním z hlavních cílů nových pravidel bylo snížit negativní dopad této brázdy na vozy jedoucí těsně za sebou. Menší brázda totiž znamená méně turbulencí, což pomáhá snížit ztrátu přítlaku pro následující vozy a zvyšuje šanci na úspěšné předjíždění. I když je hlavním účelem zadního křídla generovat přítlak, na jeho vnějších okrajích vznikají víry, které nasávají vzduch zespodu křídla a vytlačují ho vzhůru, což lze dobře vidět při závodech na mokré trati jako „kohoutí ocas“ za vozem. Tento efekt vytváří za vozem nízkotlakou oblast, která nasává čistší, méně turbulentní vzduch kolem boků vozu.

Změny v předpisech pro rok 2022 byly navrženy tak, aby vzduch vytlačovaný ze zadní části vozu byl veden výše a s větší energií. Tím se snižuje jeho dopad na vozy jedoucí vzadu a umožňuje se přísun čistšího vzduchu. Zadní křídla jsou proto od roku 2022 širší, hlubší a umístěna výše než dříve. Křídlo je také vybaveno „beam wingem“, což je spodní konstrukční nosník, který může být využit pro další aerodynamický efekt.

Koncové desky se staly také mnohem jednoduššími. Musí mít rovné povrchy bez otvorů nebo štěrbin.

Systém redukce odporu (DRS)

FIA poprvé zavedla systém redukce odporu (DRS) v roce 2011 s cílem usnadnit předjíždění. DRS umožňuje řidiči dočasně snížit odpor vozu tím, že se rozšíří mezera mezi horním prvkem zadního křídla a hlavní plochou o 10-15 mm. Původně bylo možné zvětšit tuto mezeru na 50 mm, což poskytlo až 20 km/h navíc na konci dlouhých rovinek, jako je například v Abú Zabí. V roce 2014 byly předpisy upraveny tak, aby dovolovaly zvýšit mezeru o dalších 15 mm (na 65 mm) při aktivaci DRS. Na začátku sezóny 2019 došlo k dalšímu navýšení o 20 mm (na 85 mm), a to spolu se zavedením většího zadního křídla. S příchodem nových předpisů pro rok 2022 již nedošlo k dalším změnám týkajícím se DRS.

Some curious conspiracies that #F1 rear wings can’t differ in DRS performance.
Here’s how they can….
The rear wing uses 2 elements, the main plane and flap. DRS opens the flap to boost top speed.#F1Tech pic.twitter.com/PIhDQMrv3A

— Craig Scarborough (@ScarbsTech) March 20, 2023

Snížení odporu pomocí DRS znamená, že při stejném výkonu motoru se vůz zrychluje rychleji a dosahuje vyšší maximální rychlosti. To také ovlivňuje výkon motoru, protože při jeho použití se mohou otáčky motoru na konci rovinky zvýšit až o 800 ot./min nebo více. Řidič aktivuje systém tlačítkem na volantu, což spustí hydraulický aktuátor, který pohybuje horním prvkem zadního křídla. Jakmile řidič šlápne na brzdy, systém se deaktivuje a křídlo se vrátí do své původní polohy. Použití DRS je regulováno FIA a během závodu jej lze aktivovat pouze v určených zónách na trati. Systém se odemkne, když se vůz nachází v blízkosti jedné sekundy za vozem vpředu a vstoupí do DRS zóny. Po aktivaci zůstane systém uzamčen až do dalšího kola. V letech 2011 a 2012 bylo použití DRS během tréninku a kvalifikace neomezené, ale od roku 2013 platí omezení na určené DRS zóny po celý závodní víkend. Ředitel závodu může také používání DRS pozastavit, pokud počasí nebo nehody na trati představují riziko.

Naše povídání o aerodynamice zakončíme třetím dílem, kde doprobereme zbývající komponenty vozu.