Formule 1: jak je důležitá aerodynamika

Petr Kubala  |  Technika

Klíčovým faktorem, který dnes rozhoduje o úspěchu či neúspěchu ve Formuli 1, už zdaleka není jen um pilota nebo kvalita monopostu jako celku. Alfou a omegou královny motosportu je v posledních letech zejména aerodynamika.

Formule 1 zažívá podivnou dobu. Mnoho součástí a pravidel je sjednoceno či omezeno. Máme zde jednoho dodavatele pneumatik, zmražený vývoj motorů, omezení počtu nasazených agregátů během sezóny, počtu převodovek apod.

Cenné desetiny a setiny na jedno kolo se tak týmy snaží nahnat zejména vývojem aerodynamiky a různým obcházením občas dosti nepřesných pravidel. Jak se aerodynamika ve Formuli 1 vyvíjí? Co je to CFD, jak se testuje v aerodynamických tunelech a k čemu je simulace?

S čistým stolem

Formule 1 se v oblasti vývoje potýká s mnoha paradoxy. Aby týmy udržely krok, musejí téměř v každém závodě nasazovat nové díly. Současně ale platí zákaz testování během sezóny, takže stáje nemohou své novinky náležitě vyzkoušet.

Je počátek února 2011 a nové monoposty Formule 1 právě vyjíždějí na trať v rámci zimního (předsezonního) testování. Kromě krátkého testu nováčků na konci sezóny se jedná o jediné povolené zkoušky. Ještě před pár lety mohly týmy najezdit mimo závody tisíce kilometrů, dnes je jakékoli testování v průběhu sezóny zakázáno, především ve snaze o snížení nákladů.

V únoru a březnu proběhly tří až čtyřdenní testy. Všechny se uskutečnily ve Španělsku, které je pro tyto účely vhodné z logistického i klimatického hlediska. Běžný test trvá prakticky celý den od rána do stmívání, ale tým může nasadit jen jeden vůz. Pokud se zrovna nepotýká s technickými problémy, odjede během jednoho dne kolem 120 kol (přibližně 500 km).

Fernando Alonso ve voze Ferrari během předsezonních testů
Fernando Alonso ve voze Ferrari během předsezonních testů

V průběhu sezóny pak mohou týmy testovat před závodem, kde mají k dispozici volné tréninky: dva v pátek (po 90 minutách) a jeden v sobotu (60 minut). Během těchto tréninků se ale musí věnovat primárně nastavení vozu na závod. K testování nových dílů lze využít nanejvýš první trénink.

Co nejvíc zvládnout nanečisto

Vývoj monopostů se proto ze závodní dráhy přesouvá přímo do továren. První závod nové sezóny se jede v březnu a už v té době se v hlavách inženýrů rodí vůz na sezónu příští. Jako první je postaveno šasi – základ celého vozu, které je pro celou sezónu homologováno.

Jakmile je vůz o několik měsíců později hotov, musí šasi a další díly projít nárazovými testy pod dohledem komisaře z Mezinárodní automobilové federace (FIA). Monokok a zejména kokpit musí vydržet i méně pravděpodobné situace na dráze, přečkat náraz i v rychlosti 300 km/h apod. Hlavním materiálem, který se v F1 využívá, jsou karbonová vlákna.

Mezi díly, které se v průběhu sezóny nejvíce vyvíjí, patří přední a zadní přítlačné křídlo, bočnice, výfuky, podlaha vozu, případně i kryt motoru. Ano, mluvíme zejména o aerodynamických vlastnostech.

Vývoj všech komponent probíhá dnes přirozeně na počítačích. Jedinou výjimkou je údajně konstruktér Adrian Newey, který pracuje pro stáj Red Bull a plány stále rýsuje na prkně. Že se nejedná o nikterak zpátečnický krok, dokazuje fakt, že právě jeho vozy v poslední době drtí i zavedené stáje.

CFD: Jak proudí vzduch

Jakmile je základní návrh dílu hotov, putuje na CFD. Termín Computational Fluid Dynamics bychom mohli do češtiny volně přeložit jako počítačovou dynamiku tekutin, tedy kapalin či plynů.

Trojrozměrný model monopostu nebo jeho části je nejdříve vytvořen v některém z programů pro 3D technickou dokumentaci a následně odeslán do systému CFD, který dokáže namodelovat proudění vzduchu okolo něj.

Na videu si prohlédněte CFD analýzu vozu Formule 1:

Při výpočtech se používá jako základ zejména Navierova-Stokesova rovnice. CFD dokáže propočítat obrovské množství optimalizací. Inženýři si pak vyberou tu, která danému požadavku nejlépe vyhovuje. Proces modelování je náročný na výpočetní techniku a trvá na první pohled relativně dlouho. Například v případě pouhého předního křídla se jedná o řádově hodiny, což je však stále výrazně rychlejší a levnější než jiné metody a postupy vývoje nových dílů.

Od letošního roku má většina týmů upravené výfuky takovým způsobem, aby se horké plyny z motoru dostávaly na difuzor a tím došlo ke zvýšení přítlaku. Také při vývoji tohoto systému hrálo důležitou roli CFD. Není to navíc pouze záležitost Formule 1, tyto technologie se běžně využívají při návrzích lodí, letadel apod.

Počítačová simulace proudění vzduchu během přistávání raketoplánu. Vytvořeno na CFD. Zdroj: NASA
Počítačová simulace proudění vzduchu během přistávání raketoplánu. Vytvořeno na CFD. Zdroj: NASA

Co prozradí aerodynamický tunel

Jakmile monopost nebo některá z komponent projdou CFD, putují do aerodynamického tunelu, kde se simulace konfrontuje s realitou.

Ani aerodynamický tunel není výsadou Formule 1, ale používá se při vývoji letadel, automobilů i jinde. Nejedná se o zrovna levné zařízení, a to jak ve smyslu počátečních nákladů (řádově desítky milionů dolarů), tak ani co se týče výdajů na provoz. Mít doma aerodynamický tunel znamená hodně tučný účet za elektřinu.

Na videu je aerodynamický tunel stáje Sauber:

Aerodynamické tunely se staví buď s otevřeným okruhem, kdy proud vzduchu není po průchodu tunelem veden zpět, nebo s uzavřeným okruhem, kde vzduch proudí dokola bez velkých ztrát.

Ve Formuli 1 se používá nízkorychlostní uzavřený aerodynamický tunel. Nevyvíjíme přece stíhačku, takže tunel s relativně pomalou rychlostí vzduchu postačuje. Ba co víc, technické regule FIA omezují rychlost větru v tunelu na maximálně 50 m/s (180 km/h).

Aerodynamické tunely jednotlivých týmů se liší. Například Ferrari používá ventilátor o průměru pět metrů a výkonu 2 000 kW. Tým Sauber potřebuje pro svůj tunel dokonce 3 000 kW. Délka tunelu se obvykle pohybuje v řádu desítek metrů.

Do tunelu je instalován zmenšený (60 %) model monopostu Formule 1. Jedná se o věrnou kopii včetně pneumatik a makety pilota. Samozřejmě je technicky možné testovat i model v měřítku 1:1. Týmy ho však mohou použít v tunelu pouze výměnou za testy monopostu na rovince, kterých mají během sezóny jen několik.

Model se v tunelu sice dotýká podlahy všemi čtyřmi pneumatikami, avšak jeho veškerou hmotnost nesou vertikální podpěry. Když potom okolo modelu proudí vzduch, naměřené údaje odpovídají aerodynamickým sílám, které na model působí. Každý model je osázen až třemi sty senzory, které poskytují inženýrům detailní informace.

Nádherný pohled na tok vzduchu okolo monopostu F1:

Podlaha tunelu, na které jsou umístěna kola zmenšeného monopostu, není statická, ale pohybuje se. V prvních letech se dokonce pro tyto účely používaly pásové dopravníky, nepříliš odlišné od těch ze supermarketu. Dnes už je povětšinou nahrazují pásy z kovu.

Smyslem pohyblivé podlahy je roztočení kol monopostu, což je pro simulace velmi důležité. Točící se pneumatiky vyvolávají drobné turbulence, které mohou měnit aerodynamiku vozu, a cílem simulace je přirozeně snaha o co největší přiblížení se realitě.

Aerodynamický tunel dnes používají všechny týmy Formule 1 kromě jediného. Touto výjimkou je tým Marussia Virgin Racing, který od svého počátku v loňském roce sází výhradně na vývoj vozu v CFD. Dnes ovšem kvůli neuspokojivým výsledkům tým, založený miliardářem a dobrodruhem Richardem Bransonem (ano, tím Bransonem), reálně zvažuje, že od svého futuristického nadhledu opustí a bude vyvíjet v aerodynamickém tunelu jako ostatní.

Simulátor není hra

Jakmile je monopost či nový díl hotov, putuje do továrny k výrobě, ale současně s tím je připraven virtuální model pro simulátor. Ten se v principu příliš neliší od toho, jenž je běžně dostupný pro počítač (např. známá hra rFactor). Na rozdíl od klasické počítačové hry ale mají piloti k dispozici kopii kokpitu, kterou obklopují monitory a na ně se promítá trať.

Kromě poznávání nových okruhů je hlavním úkolem simulátoru zkrátit přípravy na závod. Zatímco na okruhu absolvuje pilot několik kol a následně musí zajet do boxů pro změnu nastavení (přítlaku, světlé výšky, vyvážení apod.), což trvá desítky drahocenných minut, na simulátoru se vše potřebné změní kliknutím myši. Pilot tak v pátečním volném tréninku vyjíždí na trať s už přednastaveným vozem a během jízd se vše pouze doladí.

Na posledním videu se můžete podívat na sestřih loňské sezóny Formule 1.

Další čtení

Nejčtenější