Aerodynamica is één van de belangrijkste factoren die meespelen in de prestaties van een F1-wagen. Een element dat van grote invloed is, en waar ieder team goed in wil zijn. Per jaar worden er dan ook miljoenen gespendeerd aan de ontwikkeling van beter gestroomlijnde onderdelen. Mark Gillan, directeur van de aerodynamica-afdeling van ToyotaF1, legt ons uit waarom dat zo is.
Om te beginnen is het misschien goed om uit te leggen wat de term ‘aerodynamica’ precies inhoudt. Aerodynamica betekent letterlijk ‘bewegingen van lucht’. Door een voorwerp (in dit geval een F1-wagen) een andere vorm te geven, stroomt de lucht er op een andere manier langs, en dat heeft invloed op de snelheid van de wagen. Dit kan goed zijn, maar ook net heel slecht.
Een spel van krachten
In de formule 1 worden constant twee factoren tegen elkaar afgewogen: luchtweerstand en neerwaartse druk (downforce). De luchtweerstand wordt altijd zo klein mogelijk gehouden, want hij is van enorm belang. Dit merk je zelfs als je op de fiets zit en je rijdt tegen de wind in. In de F1 liggen de snelheden vele malen hoger, en dus ook de luchtweerstand.
Neerwaartse druk wil je daarentegen zo hoog mogelijk houden. Hoe hoger de neerwaartse druk, hoe harder de banden van de wagen tegen het asfalt worden gedrukt en hoe sneller je dus door de bochten kunt scheuren.
Maar als je een neerwaartse kracht genereert, bijvoorbeeld door middel van vleugels, ondervind je ook altijd meer luchtweerstand. De uitdaging van een aerodynamica-ingenieur in een F1-team is dus om zoveel mogelijk neerwaartse druk te vinden, terwijl hij zo weinig mogelijk luchtweerstand veroorzaakt.
Je hoort dus dat er op het vlak van aerodynamica veel te winnen en te verliezen valt. De teams zijn er ook al lang mee bezig, en zullen er nog lang mee bezig blijven. Mark Gillan: Aerodynamica is niet nieuw in de formule 1. Eind jaren ’60 verschenen de eerste vleugels, en in de jaren ’70 begon men meer en meer van aerodynamica op een racewagen te begrijpen. Maar in de voorbije 10 jaar was er pas echt een vooruitgang: de wagens zien er nu helemaal anders uit. Dat is echt heel indrukwekkend.
De aerodynamica is nu het belangrijkste onderdeel van de wagen waar een team effectief iets aan kan veranderen, nu iedereen op dezelfde banden rijdt en de motor gehomologeerd is. De aerodynamica is dus het belangrijkste element in de prestaties van een wagen.
Een auto met vleugels
De meest opvallende en belangrijkste puur aerodynamische onderdelen op een F1-wagen zijn de vleugels. Gillan: Denken we even aan een vliegtuig. Vliegtuigen hebben vleugels die een opwaartse kracht creëren. Onze auto’s hebben vleugels die in de tegengestelde richting werken: de kracht werkt naar de grond toe.
De belangrijkste vleugel is de voorvleugel, omdat de lucht hier onverstoord aankomt en dus efficiënt bewerkt kan worden. Naast het creëren van neerwaartse druk aan de voorwielen, zorgt de voorvleugel ook voor een goede verdeling van de lucht over de verschillende plaatsen op de wagen, zodat er op andere plaatsen ook neerwaartse druk kan ontstaan.
Mark legt uit: De voorvleugel is één van de meest efficiënte gebieden van de auto. Simpel gezegd zorgt hij voor neerwaartse druk aan de voorkant van de wagen, zodat er meer stabiliteit en grip is. Maar het is ook een mechanisme om de lucht weg te houden bij de banden. Die horen bij de onderdelen die de meeste luchtweerstand veroorzaken (omdat ze zo snel draaien, veroorzaken ze turbulenties in de luchtstroming, red.). Omdat we volgens de regels de wielen niet mogen bedekken, moeten we de lucht er dus op een andere manier over en langs leiden.
De perfecte afstelling
Zoals gezegd is de voorvleugel een belangrijk aerodynamisch onderdeel omdat de lucht er ongehinderd aankomt. Dat geldt natuurlijk voor de hele voorkant. Als je vooraan iets wijzigt, kan dat enorme gevolgen hebben voor de luchtstromingen aan de achterkant van de auto. Daar moet natuurlijk ten allen tijde rekening mee worden gehouden.
Om de perfecte afstelling te vinden in de GP-weekends, beginnen we normaal gezien vooraan en werken we dan zo onze weg naar achteren toe. Elk onderdeel aan de voorkant, bijvoorbeeld ook de ophanging, heeft een groot effect op de rest van de wagen.
Dat wilt echter niet niet zeggen dat de aerodynamica achteraan minder belangrijk is. Integendeel zelfs: iedereen die naar een F1-bolide kijkt, ziet dat ook de achtervleugel wel van belang moet zijn. Net als de voorvleugel, creëert de achtervleugel neerwaartse druk. De balans tussen de neerwaartse druk vooraan en die achteraan, bepaalt de stabiliteit van de wagen.
Omdat een F1-wagen extreem gevoelig is voor kleine wijzigingen aan de afstelling, moeten de veranderingen héél fijn kunnen toegepast worden. Mark Gillan legt uit hoe daar op de TF107, de Toyota van vorig jaar, voor gezorgd werd: In de achtervleugel zijn vele gaatjes te zien. We kunnen de hoek van de vleugelelementen aanpassen om meer of minder neerwaartse druk te verkrijgen.
Research & development
Het onderzoek naar een aerodynamisch betere wagen vindt plaats op twee manieren. Om te beginnen is er CFD, wat staat voor computational fluid dynamics. Door middel van krachtige computers en software wordt de luchtstroom zeer nauwkeurig berekend. Dit gebeurt door een model van de auto te maken dat bestaat uit ontelbaar veel puntjes. Door alle puntjes met elkaar te verbinden, kan de stroming van de lucht berekend worden.
CFD is echter een technologie die nog in volle ontwikkeling is en dus niet helemaal op punt staat. Betrouwbaarder zijn windtunneltests. Een schaalmodel van de wagen wordt in een grote metalen buis gezet, en dan wordt er lucht door de buis geblazen. De wielen van het schaalmodel draaien rond en soms beweegt zelfs de vloer mee met de lucht om een zo goed mogelijke simulatie van circuit-omstandigheden te maken. Op bepaalde plaatsen wordt de wagen vastgemaakt aan meetapparatuur om de neerwaartse druk en de luchtweerstand te meten.
We spenderen ongeveer 8000 à 9000 uur per jaar (dat is meer dan 90% van de tijd, red.) in de windtunnel
, aldus Mark Gillan. Ook de CFD-computers draaien zo lang.
Deze vele tests geven een zee aan cijfertjes. Maar ze doen ook niet meer dan dat. Na het interpreteren van de data komt de belangrijkste stap in de aerodynamische ontwikkeling: het ontwerpen van betere onderdelen. En op dat vlak is er nog altijd maar één factor die telt: de hersenen van de ingenieurs…