Jak działa przednie skrzydło w Formule 1?

„Aerodynamika jest dla tych, którzy nie potrafią budować silników” – mówił legendarny Enzo Ferrari. Włoch uważał, że to silnik jest rzeczą pierwszorzędną. Czasy się jednak zmieniły, a bez dobrej aerodynamiki mistrzostw się nie zawojuje. Dzisiaj o przednim skrzydle – powierzchni, która rozpoczyna kontakt bolidu z powietrzem. Zapraszam!

Garść historii – kiedy zadebiutowało przednie skrzydło?

Przełomowym momentem dla całej historii aerodynamiki w Formule 1 było Grand Prix Belgii 1968. W trakcie tego weekendu zadebiutowało pierwsze przednie skrzydło, chociaż swoim kształtem mocno różniło się od tych dzisiejszych. Protoplastą w tej dziedzinie okazało się Ferrari. To właśnie zespół z Maranello jako pierwszy opracował koncepcję przedniego skrzydła, debiutując z nim w modelu Ferrari 312 na torze Spa-Francorchamps.

W Belgii także zespół Brabham eksperymentował z przednim skrzydłem. Brytyjczycy jednak zaprezentowali mniej widoczne i mniej efektywne przednie skrzydło, z którego w trakcie weekendu zrezygnowali.

Prawdziwym ojcem chrzestnym przednich skrzydeł został jednak nie Włoch z Ferrari, a Brytyjczyk z Lotusa – Colin Chapman. To właśnie ten inżynier i konstruktor odegrał kluczową rolę w zrozumieniu docisku i strugi powietrza, tak dobrze rozumianej w dzisiejszej F1.

Rok 1968 został zapamiętany jako ten najbardziej przełomowy. Aż trzy zespoły w bliskim odstępie czasu opracowały bardzo zbliżone koncepcje przedniego skrzydła. Mimo to każda wizja różniła się od siebie.

O historii zmian i innowacji technicznych w Formule 1 można rozpisywać się miesiącami. W dalszej części tekstu skupię się na teraźniejszości i aktualnych rozwiązaniach. Warto jednak znać nazwisko Chapmana, prawdziwego Neweya tamtych czasów.

Jakie zadanie spełnia przednie skrzydło?

Przednie skrzydło jest kluczowym elementem nadającym kształt strudze powietrza. To ono jako pierwsze styka się z powietrzem i definiuje to, jak bolid będzie tym powietrzem zarządzał. Tak jak w piłce nożnej najważniejszy przy pressingu jest ruch napastnika, tak w Formule 1 najważniejszym ruchem dla aerodynamiki jest przednie skrzydło.

Głównym zadaniem płatów przedniego skrzydła jest rozbicie strugi powietrza, przez co bolid osiągnie wyższe prędkości. Po rozbiciu strugi specjalnie zaprojektowane płaty skrzydła nadają powietrzu właściwy kształt. Odpowiednio uformowana struga powietrza pozwala nie tylko na wyższe prędkości na prostych, ale również na zjawisko, które dzisiaj nazywamy dociskiem.

Zwróćcie uwagę na skrzydło samolotu – jest uformowane lotką do góry, a teraz spójrzcie na skrzydło bolidu Formuły 1 – jest zakończone lotką, ale kieruje ona powietrze w dół. Tak jak skrzydła pomagają samolotowi unieść się w powietrze, tak w bolidzie Formuły 1 odpowiadają za zjawisko docisku, czyli „wciskanie” samochodu w powierzchnię.

Powietrze nad skrzydłem musi pokonać większy dystans niż to przepływające pod nim. W ten sposób, zgodnie z równaniem Bernoulliego, powstaje różnica ciśnień, która wytwarza zjawisko przyciągania bolidu do powierzchni. Im większa różnica ciśnień, tym większy docisk. Różnicę można zwiększyć bądź też zmniejszyć, regulując kąt natarcia płatów przedniego skrzydła.

W trakcie GP Monako możemy zauważyć bardzo agresywnie postawione płaty przedniego skrzydła. Tak wysokie ustawienie płatów, zgodnie z regułą wyjaśnioną wcześniej, powoduje zwiększony docisk, ale i opór powietrza. Dzięki temu samochód porusza się szybciej w zakrętach, ale jest wolniejszy na prostych.

Na Monzy widzimy odwrotne zjawisko – płaty są bardzo płaskie, wręcz zrównują się z ramą przedniego skrzydła, by nie powodowały oporu na prostych, co prowadzi do powstania dużo wyższych prędkości maksymalnych. Kosztem jest mniejszy docisk i niższa prędkość w zakrętach.

Oba te przykłady to oczywiście ekstremum. Większość torów ma długie proste i wolne zakręty, dlatego projektanci muszą znaleźć idealny kompromis między dociskiem a oporem – w zależności od toru i strategii.

Magia przednich skrzydeł

Nie bez powodu załączyłem do tego tekstu najsurowsze zdjęcie przedniego skrzydła, jakie się tylko dało. Spójrzmy więc na to skrzydło od początku:

Na samym dole widzimy mainplane – dolną, nieruchomą część skrzydła. Tworzy bazę dla innych elementów. Następnie klapy – ruchome elementy. Ich ustawienie można regulować, aby zmieniać poziom docisku. Regulamin w obecnej formie zezwala na liczbę klap od dwóch do czterech. Jest to ważny zapis, bo więcej klap = bardziej precyzyjna kontrola przepływu.

Klapy są zakończone w jednym punkcie. Stykają się w endplatach – pionowych płytach na końcach skrzydła. Ograniczają boczny przepływ powietrza i zmniejszają tworzenie wirów, które obniżają efektywność skrzydła. Pod logiem Workday możemy zauważyć jeszcze jeden element – vortex generators – które celowo tworzą wiry powietrza. Pozwalają one lepiej kontrolować strugę powietrza i zmniejszyć opór. Dodatkowo przekierowują powietrze z dala od przednich opon, przez co te mniej się zużywają.

Podsumowując, przednie skrzydła to najważniejszy element aerodynamiczny w bolidzie, gdyż rozbija i formuje strugę. Zaprojektowanie oraz odpowiednie ustawienie przedniego skrzydła skutkuje dużym dociskiem, małym oporem bądź równowagą między oboma tymi zjawiskami.

^{Korekta: Nicola Chwist}

^{Źródło zdjęcia poglądowego: Red Bull Content Pool}