Aerodinamica fairplay. Noile monoposturi din Formula 1 fac cursele mai strânse30 min read

Formula 1 a trecut prin cea mai dramatică schimbare de regulament din ultimele decenii, în speranța că duelurile de pe circuit vor deveni mai echitabile

După aproape un deceniu în care era „sportul ală plicticos în care câștigă întotdeauna Mercedes”, Formula 1 a revenit în atenția publică„Formula 1 announces TV, race attendance and digital audience figures for 2021”, formula1.com cu o nouă prezentare, care pune mai mult accentul pe dramele din spatele curselor (cu tot cu documentare dramatice),Poate fi vizionat pe netflix.com controverse despre aplicarea regulilor care mai că le egalează pe cele din fotbal și o luptă pasionantă pentru titlul din 2021, decisă în ultimul tur al ultimei etape.  Apetitul pentru cel mai rapid campionat automobilistic din lume a fost reînvigorat.

Revigorarea comtinu, pentru că în 2022 Federația Internațională de Automobilism (FIA) a implementat una dintre cele semnificative schimbări de regulament din ultimele decenii, modificând substanțial designul și aerodinamica monoposturilor în încercarea de a crea și mai multă dramă pe traseu. În destule cazuri din trecut,„F1 rule changes: what’s new in 2022 and how have rules affected racing?”, autosport.com/ astfel de schimbări radicale au dus la unul sau câteva sezoane extrem de disputate, cu excepții precum cea din 2014, când trecerea la motoare hibride a inițiat monopolul Mercedes.

Multe voci clasifică schimbările de anul acesta ca unele cele mai semnificative din istoria Marelui Circ. Marea majoritatea a modificărilor au de-a face cu aerodinamica monoposturilor și încearcă să rezolve o problemă creată de evoluțiile din ultimele decenii: cu cât un monopost este mai eficient din punct de vedere aerodinamic, cu atât mai mult „suferă” urmăritorii săi de pe circuit din cauza curenților de aer haotici pe care îi lasă în spate. Acest lucru erodează partea cea mai spectaculoasă a curselor – luptele lungi și dramatice pentru poziții.

Monoposturi ale echipelor Alpha Tauri (în față), Aston Martin (mijloc) și McLaren (în spate) în timpul cursei din Arabia Saudită. Anadolu Agency/Getty Images

Aerul murdar strică competiția

Nu e o surpriză că monoposturile de Formula 1 trebuie să înfrângă rezistența aerului pentru a dezvolta viteze cât mai ridicate. Interacțiunea dintre divesele părți al monoposturilor aflate în mișcare și aerul de pe circuit creează diferite tipuri de rezistență la înaintare,„Air Resistance: The Invisible Enemy in Vehicle Design”, simscale.com care le încetinesc. Prin urmare, crește puterea necesară pentru a atinge viteza dorită.

Însă rezistența aerului devine foarte utilă dacă ea poate fi redirecționată vertical, pentru a crea „downforce-ul”„Downforce in F1: The King of Formula 1 Physics”, cmcmotorsports.com – o forță de apăsare verticală care „împinge” monopostul înspre sol. Forța de apăsare creează astfel o aderență mult mai bună a roților la traseu, fiind crucială în abordarea virajelor la viteze cât mai ridicate. Dacă downforce-ul este scăzut, există un risc mai ridicat ca roțile să piardă contactul cu traseul sau ca pilotul să supravireze. Repercusiunile variază de la corecții ale trasei cu pierderi de timp la ieșiri în decor și derapaje la viteze ridicate.

În Formula 1, multe dintre elementele de bază ale unui monopost, de la motoare la sistemele de frânare, sisteme electronice de asistență și pneuri, sunt reglementate strict, pentru a limita cât mai mult diferențele tehnologice dintre echipele cu bugete mari și cele cu bugete mai mici. Astfel, această balanță aerodinamică dintre rezistența la înaintare și forța de apăsare creează printre cele mai mari diferențele între mașini pe circuit.

În ultimele decenii, evoluția șasiurilor a fost direcționată strict pentru a regla această balanță doar prin intermediul elementelor de la suprafața monopostului. De exemplu, o parte importantă din forța de apăsare este creată de aripa-față și de eleroane, în timp ce alte elemente aerodinamice de pe monoposturi sunt menite să reducă pe cât posibil forța la înaintare prin dispersarea fluxurilor de aer sau redirecționarea lor către elementele din partea anterioară a monopostului, care creează forța de apăsare.

Dezvoltarea unor structuri aerodinamice tot mai complexe a creat, însă, o problemă în timpul curselor. În căutarea celor mai optime modele aerodinamice, dar și pentru a incomoda concurența, au fost create monoposturi care lasă în urma lor fluxuri de aer mult mai haotice decât cele cu care intră în contact, creând printre altele și vortexuri care amestecă pungi de aer cu presiune ridicată cu  unele de presiune mult mai scăzută.„Typical Vortical Structures around a Formula 1 Car”, researchgate.net

La asta se referă comentatorii de Formula 1 atunci când folosesc expresia „aer murdar”.„Slipstream and ‘dirty air’ explained”, racecar-engineering.com Pe liniile drepte, acesta acționează oarecum în avantajul mașinilor urmăritoare, care au parte de o rezistență mai scăzută la înaintare prin efectul de slipstream.

Însă efectele negative ale acestuia sunt foarte mari pe viraje, deoarece monoposturile prinse în aer murdar nu pot redirecționa aceste fluxuri de aer în mod eficient și pierd o parte semnificativă din downforce cu cât sunt mai aproape de un alt monopost. Inginerii care testează și formulează schimbările de reguli din F1 estimează că un monopost aflat la 20 de metri în spatele altuia, de exemplu, pierde 35% din downforce, iar la 10 metri acest procentaj crește la 47%.„10 things you need to know about the all-new 2022 F1 car”, formula1.com

Din cauza forței de apăsare mai scăzute, piloții sunt nevoiți să conducă mai conservator, pentru a păstra aderența pneurilor și trasele ideale, și nu pot păstra ritmul celui din față. Astfel, crește riscul de pierdere a aderenței sau supravirare în momentele în care aceștia încearcă să conducă mai agresiv pentru a recupera timp sau pentru a depăși pe viraje. Acest efect descurajează bătăliile lungi pentru poziții și oferă un avantaj destul de mare liderului, fiind o cauză majoră pentru care cursele de Formula 1 sunt atât de tacticizate.

Acest efect a fost ținta principală a modificărilor de regulament care au intrat în vigoare anul acesta.

Lotus a debutat primul monopost bazat pe efectul la sol, Lotus 79, în sezonul 1977.

După patru decenii, revine efectul la sol

Inginerii Formula One Group care au dezvoltat noul set de reguli au urmărit regândirea șasiurilor pentru ca aerul murdar să fie redirecționat cât mai puțin în spatele monopostului, ci deasupra sau în lateralul lor.  O problemă era însă că asta însemna interzicerea unor elemente aerodinamice importante pentru crearea de downforce. Și au găsit compromisul, prin reintroducerea parțială a unei tehnologii care fusese interzisă cu patru decenii în urmă.

„Ground force”-ul sau efectul la sol poate fi descris, într-un mod extrem de simplist, ca inversul efectului care oferă portanță aripilor aeronavelor; acestea creează curenți de aer mai rapizi, cu presiune mai ridicată în partea superioară, iar diferența de presiune față de curenții mai grei de aer de sub acestea întrețin zborul.„Dynamics of flight”, nasa.gov

În 1977, inginerii echipei Lotus au creat un monopost care inversa acest principiu pentru a crea forța de apăsare. Mașina avea o podea foarte lată și o gardă foarte scăzută la sol. Designul podelei lui Lotus 79 „TECH TUESDAY: The Lotus 79, F1’s ground effect marvel”, formula1.com permitea formarea, sub monopost, a unor pachete de aer cu presiune foarte scăzută, prin așa-numitele tuneluri Venturi, ceea ce transforma automat presiunea aerul de la suprafață într-o forță de apăsare. Astfel, alte elemente aerodinamice ale bolidului puteau fi reorientate pentru scăderea rezistenței la înaintare, crescând vitezele pe circuit atât pe drepte, cât și în viraje.

Metoda avea, însă, destule probleme. Pentru început, au crescut semnificativ vitezele cu care monoposturile abordau virajele,„Retro F1 tech: The ground effect era”, motorsport.com ceea ce mărea riscurile dacă avea loc o defecțiune sau eroare de pilotaj pe astfel de porțiuni.

Dar, și mai important este faptul că menținerea constantă a aerului cu presiune scăzută sub mașină nu era garantată. Acest lucru s-a văzut mai ales la echipele cu buget mai scăzut decât Lotus, care au dezvoltate versiuni mai puțin eficiente de monoposturi bazate pe efectul la sol.„Banned: Ground effect”, racefans.net Fluctuațiile mari ale forței de apăsare au provocat sau contribuit la multe accidente grave între 1977 și 1982, ceea ce a dus la interzicerea folosirii efectului la sol începând cu 1983. De atunci, toate regulamentele au inclus regula ca monoposturile de Formula 1 să aibă podele complet plate, pentru a evita producerea efectului.

Până anul acesta. Noile monoposturi, chiar dacă nu au podeaua extra-lată a Lotusurilor de la sfârșitul anilor 1970, funcționează pe un principiu similar, cu două tuneluri pentru crearea curenților de aer cu presiune scăzută. „Gary Anderson: What 2022-style F1 ground effect looks like”, the-race.com Fluxul de aer care iese de sub monopost este îndreptat în sus, cu scopul de a oferi mai mult timp curenților de a se disipa înainte de a fi aruncat asupra unui monopost urmăritor.

Avansurile de patru decenii în materie de aerodinamică, dar și de siguranță a mașinilor fac ca implementare efectului să fie mai puțin riscantă. Însă, cel puțin la început, apar destul dintre vechile probleme. Dacă ai văzut una din filmările devenite virale cu monoposturile noi care „țopăie” chiar și pe linii drepte, acesta este creat de un efect numit „porpoising”,„What is porpoising and why are 2022 F1 cars doing it?”, the-race.com nu foarte diferit de turbulențele unei aeronave: peste un anumit prag de viteză, circulația fluxului de aer din tunelurile de sub mașină nu este menținută constant; aerul prins în tuneluri încetinește, forța de apăsare scade, iar suspensia (care de anul acesta nu mai poate fi hidraulică)„TECH TUESDAY: How 2022’s suspension overhaul could shuffle the competitive order”, formula1.com reacționează în consecință, înainte ca fluxul să revină la circulația normală, iar mașina să fie trasă din nou spre sol.

Este o problemă de inginerie a mașinii care afectează, cel puțin la un anumit nivel, toate echipele, și pare a fi principala cauză a performanțelor dezamăgitoare ale mașinilor Mercedes din primele două etape. „Russell: Porpoising responsible for “99%” of Mercedes’ problems”, motorsport.com Efectul poate fi replicat doar pe circuit, motiv pentru care a surprins majoritatea inginerilor la primele antrenamente oficiale. Pe lângă problemele de siguranță și performanță a mașinilor pe care le aduce, porposing-ul incomodează foarte mult și piloții, care au început deja să acuze dureri de cap când petreceau mai mult timp pe traseu.

Mașini făcute pentru fair-play aerodinamic

Luând în calcul efectul de sol, designul exterior al monoposturilor din 2022 a fost gândit pentru a reduce cât se poate de mult efectul aerului murdar asupra urmăritorilor, dirijând pe cât posibil fluxurile haotice de aer deasupra acestora sau către sol.„Tech Explained: 2022 F1 Technical Regulations”, racecar-engineering.com

De exemplu, roțile monoposturilor de Formula 1, fiind descoperite, joacă și ele un rol semnificativ în crearea aerului murdar. De aceea, au fost introduse pentru prima dată semi-aripi pentru roțile față, al căror rol este să direcționeze aerul murdar creat de acestea pe lângă monopost, îmbunătățind rezistența totală la înaintare. Acest rol era jucat anterior de vortexuri de aer create de acțiunea aripii față, însă aceste vortexuri puteau fi influențate sau compromise de către aerul murdar al unui alt monopost. Noua soluție este considerată mai favorabilă curselor de urmărire strânse.

O filozofie similară a fost folosită și în remodelarea aripilor-față,„TECH TUESDAY: How the front wing on the all-new 2022 cars has been designed to improve overtaking”, formula1.com menite și ele să provoace un flux de aer murdar mai stabil pe lângă mașină în locul unuia dispersat, precum la monoposturile anterioare.

Monopostul Red Bull al lui Sergio Perez din 2021 (deasupra) comparat cu cel folosit în Arabia Saudită, în 2022. Se poate observa mult mai simplifactă a aripii-față, modelul curbat al eleronului și semi-apărătoarele roților din față. Anadolu Agency/Getty Images

Eleronul are acum un aspect curbat, toate elementele sale formând o linie continuă, fără unghiuri ascuțite. Modelele din 2022 aduc înapoi și două aripi adiționale „TECH TUESDAY: How the rear wing of the 2022 car has been designed to be an F1 gamechanger”, formula1.com în jurul difuzorului de aer, care fuseseră interzise în 2014.

Tot conceptul are de-a face, din nou, cu redirecționarea cât mai benignă a aerului murdar. În teorie, aerul lăsat în urmă de roțile-spate ar trebui să fie prins în mecanismul eleronului și să fie integrat cu cel care iese de sub mașină, înainte de a fi expulzat la o înălțime mult mai ridicată decât în trecut.

În plus, au fost interzise și panourile aerodinamice instalate„The rise and fall of bargeboards in F1”, autosport.com în mod tradițional pe lateralul mașinilor, unul dintre cei mai mari contributori la acumularea de aer murdar direct în spatele mașinii.

Inginerii Formula One Group estimează că toate aceste modificări ale fluxurilor aerodinamice vor reduce pierderile de downforce de la 35% la doar 4% pentru un monopost care se află la 20 metri în spatele altuia, și de la 47% la 18% atunci când diferența ajunge la 10 metri. Oficialii competiției au sperat astfel, printre altele, să micșoreze și ecarturile dintre piloții performanți la ieșirea din viraje, ceea ce ar crea mai multe posibilități de atac sau de revenire asupra unui atac anterior pe liniile drepte.

Roți mai mari, combustibil cu 5% mai sustenaibil

Schimbările aerodinamice nu sunt singurele noutăți în monoposturile din acest sezon. Pneurile, create de tot de Pirelli,au crescut semnificativ în diametru, „How Pirelli’s new 18-inch tyres could play a key role in the 2022 F1 season”, racingnews365.com de la 13 inchi (33 cm) cât măsurau în sezonul trecut la 18 inchi (47 cm), cu scopul principal de a reduce supraîncălzirea acestora în situațiile de derapaj. Se speră și că pneurile mai mari ar putea fi ceva mai rezistente în regim de cursă, ceea ce ar reduce numărul de intrări la boxe.

Noile șasiuri au fost construite și pentru a spori siguranța piloților în accidente, fiind nevoite să absorbe cu 48% mai multă energie față de anul trecut în teste de impact frontal și cu 15% mai mult în cele de impact din spate.

Aceste două schimbări au dus la o greutate mai ridicată cu 5% a monoposturilor, dar deocamdată pare să fi meritat, cel puțin din punctul de vedere siguranței: Mick Schumacher a scăpat nevătămat dintr-un accident groaznic în calificările din Arabia Saudită, într-un impact măsurat la 33 de G-uri, și a primit chiar și acceptul de a participa în cursa de a doua zi (însă nu a făcut-o pentru a prezerva monopostul de rezervă pentru următoarea cursă).

În schimb, motoarele hibride au rămas la fel ca anul trecut, și dezvoltarea lor va fi în mare înghețată până în 2026, atunci când Federația Internațională de Automobilism a anunțat că va trece la motoare mai simple, care ar funcționa și pe combustibil 100% sustenabil.„F1 will use a fully sustainable fuel from 2026”, topgear.com Anul acesta, a crescut la 10%procentul de etanol din mixul de carburant folosit.

Care sunt efectele noilor reguli pe circuit?

Desigur, cele mai importante rezultate sunt cele înregistrate pe traseu, iar acestea pot fi evaluate, mai ales că au trecut două curse din sezonul 2022. Și deja se observă diferențe în performanțele echipelor – Mercedes, campioană neînvinsă a constructorilor din 2014 încoace, are probleme de porpoising și pare să nu țină pasul cu Ferrari și Red Bull; McLaren, care a terminat sezonul pe locul 4, de data aceasta de-abia reușește să intre puncte, iar Haas, care nu strânsese niciun punct în 2021, a punctat deja de două ori prin Kevin Magnussen, înlocuitorul lui Nikita Mazepin.

Pentru o comparație mai specifică cu monoposturile anterioare, publicația de profil The Race a realizat o simulare paralelă a tururilor cu care Max Verstappen și, respectiv, Charles Leclerc au câștigat pole-positionurile pe circuitul din Bahrain, în 2021 și 2022.

Simularea confirmă o predicție făcută de mulți ingineri din Marele Circ chiar și înaintea antrenamentelor oficiale, care sugera că noile monoposturi vor fi mai rapide decât cele de anul trecut în viraje rapide, dar vor pierde semnificativ mai mult timp în cele strânse. Diferența de 1,5 secunde ar putea părea imensă, însă e vorba de ultimele monoposturi dezvoltate pe precedentele reguli față de prima cursă a celor noi, pe un traseu cu destul de mult viraje strânse. Mai mult ca sigur, diferențele de timpi față de anul trecut vor scădea pe parcursul sezonului, însă noile monoposturi probabil nu le vor depăși pe cele vechi din cauza greutății adiționale, pneurilor mai mari și noului combustibil mai puțin performant.

În schimb, s-a văzut deja un efect pozitiv al noilor reguli: etapa din Arabia Saudită a fost doar a doua din calendar, dar s-a încheiat cu o luptă pentru primul loc între Leclerc și Verstappen care a durat opt tururi (e drept, pe fondul unui safety car pe finalul cursei), exactexactul tipul de moment pe care FIA și-l dorea creat pentru a spori și mai mult drama din spatele regelui sporturilor cu motor.