Rozdílné přístupy k designu předních křídel
Již v roce 2019, kdy změna pravidel značně zjednodušila stavbu předních křídel, se začaly rýsovat dvě velmi rozdílné filozofie jejich designu.
Nyní, po ještě rozsáhlejší změně pravidel, se ukázalo, že obě tyto filozofie nadále zůstávají relevantní. Kontrast mezi nimi velmi dobře vynikne, když stojí bok po boku Ferrari a Mercedes, jako je tomu na obrázku níže.
Porovnání Ferrari F1-75 a Mercedesu AMG F1 W13 z čelního pohledu; zdroj: Ferrari / Mercedes-Benz
Ferrari, a zároveň i Haas, Alfa Romeo, Williams nebo McLaren, má přední křídlo zatížené uprostřed, v oblasti začínající bezprostředně vedle nosu. Tato část křídla je viditelně strmější než stejná část křídla Mercedesu – křídlové prvky mají hlubší zakřivení a vyšší úhel náběhu. Ferrari v této oblasti generuje většinu přítlaku tvořeného předním křídlem.
Naproti tomu Mercedes, a také AlphaTauri, Red Bull či Aston Martin, touto částí křídla nijak neubírá proudu vzduchu energii a posílá jej přímo pod podlahu. Ke generování přítlaku využívá zbývající část křídla. Tedy tu část, která je u Ferrari směrem k okrajům méně zatížená. U Ferrari to umožňuje nasměrovat tok vzduchu v této oblasti směrem ven a spolu s ním odklonit i úplav předních kol do stran.
Týmy s předním křídlem ve stylu Mercedesu nedokážou příliš využít koncové části předního křídla k odklonu špinavého vzduchu za koly. Musí k tomuto účelu využívat spíše jiné prostředky.
Ferrari a další týmy s předním křídlem zatíženým uprostřed zase musely vyřešit, jak dostat čistý vzduch pod podlahu. Například v případě Ferrari je vidět, že přeuspořádalo prvky přední nápravy takovým způsobem, aby vzestupný proud vzduchu sklonilo zpět dolů k náběhové hraně podlahy a zároveň vytvarovalo přední část bočnic tak, aby nad náběhovou hranou podlahy vytvořilo rozsáhlou oblast vysokého tlaku vzduchu, která bude nutit vzduch proudit pod podlahu.
Zleva doprava – krátký nos McLarenu MCL36, dlouhý nos Ferrari F1-75, nos se špičkou pod křídlem AlphaTauri AT03; zdroj: Getty Images
Nosový kužel většiny aut je krátký, se špičkou, která není nijak spojena s nejpřednějším křídlovým profilem. Našly se však také tři výjimky s delším nosem. Jsou jimi Mercedes, Ferrari a AlphaTauri se zvláštním designem, při kterém se špička nosu nachází pod křídlem.
Delší nos může být potenciálně méně problematický pro úspěšné absolvování nárazového testu a jeho spodní strana může vytvářet vyšší podtlak. Krátký nos zase může mít určitou výhodu z hlediska volnějšího a čistšího proudění směřujícího k podlaze po jeho spodní straně.
Koncová část předního křídla Red Bullu RB18; zdroj: Red Bull Content Pool
S koncovými částmi předního křídla všechny týmy v principu došly k velmi podobnému řešení. Každý se snaží více či méně využít jejich příspěvek k odklonu úplavu za předními koly. Výraznější rozdíly lze pozorovat na tvaru a pozici lopatky, která je připevněna k vnější straně koncové části. Její design určuje pozici a sílu víru, který interaguje s úplavem za předním kolem. Nejrozšířenější přístup ilustruje Red Bull na obrázku výše.
Koncová část předního křídla Alpine A522; zdroj: Getty Images
Alpine, podobně jako Williams či Alfa Romeo, má tuto lopatku v úvodní části strměji zakřivenou vzhůru, ovšem kvůli tomu, že pravidla předepisují maximální převýšení mezi její náběhovou a odtokovou hranou a předepisují plochu, kterou musí při pohledu shora zakrývat, musí být ke konci ohnutá opačným směrem.
Koncová část předního křídla Haas VF-22; zdroj: Haas F1 Team
Ještě netradičnější řešení předvedl Haas, který přidal na náběhovou hranu koncové části (1) hrbolky inspirované ploutvemi plejtváku dlouhoploutvého.
Za pozornost stojí i (2) lopatka na vnější straně koncové části křídla, která je orientována opačně než u všech ostatních, aby vyvolala sestupný proud. Jak již bylo zmíněno, pravidla předepisují, že odtoková hrana této lopatky musí být položena o 75 milimetrů výše než její náběhová hrana. Protože Haas se snažil odtokovou hranu umístit naopak pod náběhovou hranu, jediným způsobem jak tuto lopatku zlegalizovat bylo přidání velmi strmě vzhůru zakřiveného (3) prodloužení na odtokové hraně.
Koncová část předního křídla Haas VF-22; zdroj: Getty Images
Při pohledu zboku je také vidět, že bočnice předního křídla má v zadní části výřez sestřižený právě podle lopatky, aby se podpořilo proudění odklánějící špinavý vzduch do stran.
Push-rod či pull-rod?
Push-rod versus pull-rod
Svislý pohyb kola při průjezdu nerovností se na pružiny a tlumiče uložené uvnitř přední části monokoku přenáší prostřednictvím vzpěry, kterou nazýváme pull-rod, pokud při pohybu kola vzhůru za vahadlo táhne a naopak push-rod, pokud do něj tlačí. Samotné odpružení kol v obou případech funguje identicky. To, který typ designéři zvolí, ovlivňují hlavně aerodynamické požadavky a částečně i snaha o co nejnižší polohu těžiště.
McLaren a Red Bull udělali zajímavé rozhodnutí, když úplně naruby obrátily zažité uspořádání prvků náprav tím, že na přední nápravě nasadily zavěšení kol typu pull-rod a na zadní zase zavěšení typu push-rod.
Žlutá barva zvýrazňuje pull-rod na přední nápravě a push-rod na zadní nápravě; zdroj: Getty Images
Pokud jde o přední nápravu, dlouhodobě byl za standard považován push-rod, i když čas od času někteří experimentovali s pull-rodem, jako například McLaren v roce 2013, či Ferrari v letech 2012 až 2015.
Aktuální změna může souviset se snahou dosáhnout odlišného aerodynamického efektu v přední části auta ve srovnání s tím, který dosahovaly s push-rodem. Možná v souvislosti s prouděním odtékajícím od předního křídla a jeho nasměrováním pod podlahu či prouděním na straně kola a tím, jak v této oblasti prvky nápravy ovlivňují úplav za kolem. Nebo jen jednoduše s níže položeným nosem a čistým listem papíru využili příležitosti k rozmístění pružin a tlumičů ve spodní části šasi, aby tak snížili polohu těžiště.
Ještě větším překvapením je však zadní push-rod. Posledních více než deset let, kdy Red Bull v roce 2009 zavedl vzadu pull-rod, panovala shoda na tomto řešení napříč celým startovním polem.
Nyní McLaren, Red Bull, Alfa Romeo a AlphaTauri změnily názor, pravděpodobně kvůli zlepšení proudění ke spodnímu křídlu a horní straně difuzoru i za cenu výše položeného těžiště.
Jak se týmy vyrovnávají s absencí deflektorů
Monoposty v posledních sezónách oplývaly nadmíru složitými deflektory a dalšími aerodynamickými prvky roztroušenými kolem přední části bočnic.
Deflektory plnily dva úkoly – prvním byl odklon úplavu předních kol od karoserie a obzvlášť podlahy a druhou byla tvorba silných vírů, které jednak pomáhaly navést více vzduchu pod podlahu a jednak samotné zlepšovaly podtlak pod náběhovou hranou podlahy.
Mercedes AMG F1 W13; zdroj: Mercedes-Benz
Nyní, když jsou deflektory minulostí, k odklonu úplavu kol přispívají v první řadě nové (1) aerodynamické prvky na vnitřní straně a nad vnitřními rameny pneumatiky. Vedle toho jsou (2) okraje podlahy tvarovány tak, aby vytlačovaly do stran spodní část úplavu a bočnice byly předsunuty blíže k předním kolům a celá jejich přední strana byla rozšířena a vytvarována tak, aby vytlačila i zbytek úplavu co nejdále mimo karoserii.
K tvorbě virů, které pomáhají zvyšovat podtlak pod podlahou, slouží (3) generátory víření pod náběhovou hranou podlahy.
Zvláštní pozornost si zaslouží unikátní design dvojice generátorů víření umístěných v těsné blízkosti jeden vedle druhého na okraji podlahy Red Bullu.
Red Bull RB18; zdroj: Pirelli
Různorodé bočnice
V oblasti bočnic je vidět mezi týmy největší různorodost designérských řešení. Zároveň ale můžeme pozorovat, jak několik týmů dospělo k velmi podobným řešením. Rozdělme je na čtyři skupiny.
Alfa Romeo C42; zdroj: Sauber Group
Aston Martin a Alfa Romeo spojují podobně hluboce podseknuté bočnice po celé jejich délce se žábrovými výstupními otvory na vrchní straně. Vzduch na horní stranu difuzoru je přiváděn podél horní strany podlahy.
AlphaTauri AT03; zdroj: Red Bull Content Pool
Bočnice Red Bullu, AlphaTauri a Alpine jsou všechny hluboce podseknuté v přední části, nicméně dále již toto podseknutí zcela zaniká. Vzduch na horní stranu difuzoru je přiváděn podél horní strany bočnic. K vypouštění horkého vzduchu využívají primárně centrální otvor na ocase krytu motoru.
Ferrari F1-75; zdroj: Ferrari
Ferrari a Haas mají podobně specifické řešení bočnic spočívající v tom, že jsou tak široké, jak jen pravidla umožňují. Boční strana bočnice je obzvláště u Ferrari prakticky zcela plochá a téměř úplně absentuje jakékoli podseknutí. Takovým způsobem se Ferrari snaží udržet špinavý vzduch od předních kol, který byl vytlačen ven, mimo karoserii, dokud nenarazí na běhoun zadního kola.
Zajímavý je jejich přístup k tvarování horní části bočnic s hlubokým vyboulením. Velkou pozornost vzbudil zejména u Ferrari. Zdá se, že takové tvarování má držet horký vzduch vypouštěný ze žábrových otvorů na vrchu bočnic blízko středu auta a má jej nasměrovat do prostoru mezi zadním a spodním křídlem.
Williams FW44; zdroj: Williams Racing
Čtvrtá skupina týmů – Mercedes, Williams a McLaren – se vyznačuje bočnicemi, které, jakmile to je možné, ustupují s cílem maximálně zeštíhlit zadní část karoserie a uvolnit prostor na horní straně podlahy pro proudění tekoucí přes difuzor.
Otvor vedoucí skrz bočnici Williamsu FW44; zdroj: Williams Racing
Bočnice Williamsu mohou na první pohled působit jako nenápadná evoluce loňských. Ve skutečnosti jsou však mnohem zajímavější. Při pohledu zezadu se nám naskytne pohled na otvor, kterým může část vzduchu vstupujícího do bočnic obejít chladiče a proudit přímo po vrchní straně bočnic. Jelikož ta má pořádně strmý spád, toto řešení zřejmě pomáhá udržet proudění přilnuté k jejímu povrchu.
Podlaha
Neméně pestré jsou designy podlah. Jednou z inovací, které týmy pro letošní rok vymyslely, je dvojitá přední část podlahy.
Dvojitá přední část podlahy na monopostu Aston Martin AMR22; zdroj: Aston Martin
Týmy Aston Martin a Ferrari vytvarovaly nad přední částí podlahy útvar, který ji zdvojuje. Tato část karoserie pracuje v kombinaci s generátory víření umístěnými na vstupu Venturiho tunelů. Viry vznikající na jejích rozích posilují víry tvořené generátory víření, čímž přispívají ke zvýšení podtlaku na vrchu tunelů.
Čelo přední části podlahy na monopostu Red Bull RB18; zdroj: Red Bull Content Pool
K čelu přední části podlahy s konvexním zaoblením, tak mohutnému, až zabírá maximum prostoru daného pravidly, dospěli aerodynamici Red Bullu, Williamsu i Haasu. Zřejmě zjistili, že jim právě takovéto tvarování zvyšuje podtlak pod podlahou. Proč by to jinak dělali?
Přední část podlahy McLarenu MCL36 – šipka znázorňuje proudění vzduchu mezerou mezi vnitřním okrajem Venturiho tunelu a čelem přední části podlahy; zdroj: Pirelli
Nejvíce svérázné řešení přední části podlahy, které se nepodobá žádnému jinému řešení konkurenčních týmů, má McLaren. Na úkor tunelů je část vzduchu mezi vnitřním okrajem Venturiho tunelu a čelem přední části podlahy posílána na vrchní stranu podlahy, čímž může napomáhat bočnicím s odklonem úplavy předních kol.
Půlkruhový výřez na boku difuzoru; zdroj: Pirelli / Ferrari
Naopak, prakticky univerzálně napříč celým startovním polem je vidět v boku difuzoru výřez, přes který se do něj přivádí vzduch s vysokou energií z horní strany podlahy a na okraji difuzoru díky tomu vzniká silnější víření.
Díky novým pravidlům definujícím podlahu se týmům otevřela příležitost zavést dvojité zalomení podlahy. Na obrázku níže jsou body zalomení očíslovány.
Body zalomení podlahy Aston Martin AMR22; zdroj: Aston Martin
Bod zalomení podlahy
Bod zalomení podlahy (z angl. „kick-up point“) je místo, ve kterém dochází k přechodu ploché části podlahy do difuzoru.
Dvojité zalomení podlahy posouvá působiště přítlaku (aerodynamická obdoba tělesového těžiště) více dopředu, což je žádoucí v případě, že příliš mnoho přítlaku působí na zadní nápravu a auto má tendenci k nedotáčivosti.
Poskakování
Přízemní efekt (z angl. ground effect) u vozů vyjadřuje jev, při kterém, když se křídlo nebo podlaha pohybuje blízko u země, vzduch tekoucí úzkou mezerou mezi jejich spodní stranou a zemí proudí rychleji, statický tlak na spodní straně karoserie se snižuje a tím pádem narůstá celková přítlačná síla. Čím je vzdálenost od země nižší, tím více přítlaku vzniká. Samozřejmě vzdálenost od země nesmí být příliš nízká – tehdy se už proudění vzduchu naopak zpomalí až zastaví a generovaný přítlak rapidně klesne.
Tento problém se projevuje takzvaným „poskakováním“. Poskakování je v podstatě cyklicky se opakující klesání vozu pod narůstající tíží přítlaku následované jeho náhlým stoupáním v momentě, kdy se přítlak v důsledku přílišného poklesnutí rapidně sníží. Po stoupnutí může přízemní efekt znovu začít účinkovat a cyklus takto začíná znovu.
Šipka ukazuje na kovovou vzpěru, která spojuje flexibilní roh podlahy s robustnější částí podlahy, aby se zabránilo jeho přehybu; zdroj: Getty Images
Poskakování mohou vyvolat i prohýbající se okraje podlahy. Některé týmy proto vyztužily zadní rohy podlahy, aby se pod tíží přítlaku tak moc neprohýbaly.
Šipka ukazuje na podlouhlou štěrbinu na okraji podlahy McLarenu MCL36; zdroj: Getty Images
Další hledali řešení tohoto problému v přidávání štěrbin na okraje podlahy tak, aby mohl vzduch štěrbinami nadále proudit, když se okraje podlahy přehnou natolik, až se dotýkají země. Během předsezónních testů v Barceloně se v padoku říkalo, že McLarenu tento recept na problém s poskakováním zafungoval nejlépe.
Alternativním řešením této situace by mohlo být zvýšení zadní světlé výšky a tužší nastavení zavěšení kol, které zabrání přílišnému propružení. Ale kromě toho, že zvýšením světlé výšky by se týmy obraly o přítlak, nevýhoda takového řešení by se projevila i snížením mechanické přilnavosti v pomalých zatáčkách.