Prísavný efekt (1): Kľukatá cesta do Formuly 1

Nové predpisy pre konštrukciu monopostov opäť povoľujú prísavný efekt. Je to zásadná zmena, ktorá však paradoxne ostane oku bežného fanúšika ukrytá. Hlavným cieľom tejto zmeny je znížiť generovanie zvíreného vzduchu za zadným krídlom, čo by zase malo dovoliť tesnejšie súboje medzi dvoma autami. Poďme sa bližšie pozrieť na tento fenomén, ktorý zásadne ovplyvnil svet Formuly 1 na prelome 70. a 80. rokov minulého storočia a dva monoposty, ktoré stáli na začiatku tejto revolúcie.

Na úvod by možno nezaškodila definícia prísavného efektu. V angličtine naň narazíte pod slovným spojením „ground effect“, čo pri doslovnom preklade znamená „prízemný efekt“ (aj na takéto preklady ste mohli naraziť v posledných troch rokoch, keď ground effect opäť prišiel do módy). Toto slovné spojenie sa výborne hodí pre letecký priemysel, avšak my ostaneme pri pôvodnom preklade, ktorý u nás používali naši predchodcovia v slovenských (ale aj českých) motoristických časopisoch v čase, keď sa vo Formule 1 objavil. V konečnom dôsledku obidva výrazy celkom dobre opisujú, o čo vlastne ide.

Podstatou prísavného efektu je zrýchlenie prúdenia vzduchu pod autom, čím medzi podlahou a vozovkou (zemou) vzniká podtlak a monopost sa prakticky „prisaje“ k dráhe. Niekedy býva prísavný efekt mylne prirovnávaný k prítlaku, ktorý generujú predné a zadné krídla monopostov. Inými slovami povedané, že podlaha monopostu  s prísavným efektom je vytvarovaná do tvaru veľkého krídla. Je to však veľmi zjednodušené a keď sa pozrieme na monopost v reze, môže nám takýto obrázok túto myšlienku evokovať. To, čo na obrázkoch často chýba a čo v počiatkoch vývoja zviedlo konštruktérov na slepú uličku, je vozovka, po ktorej sa monopost pohybuje. Tá je totiž do istej miery súčasťou tohto efektu a zohráva v ňom podstatnú úlohu. Trať si zjednodušene môžeme predstaviť ako jednu z plôch, ktoré ohraničujú priestor, kadiaľ prúdi vzduch a je teda súčasťou aerodynamiky monopostu.

Všeobecne sa za objaviteľa prísavného efektu považuje Colin Chapman. Nie je to však úplne tak, hoci mu nemožno uprieť, že pri jeho zavedení do Formuly 1, podobne ako pri iných svojich myšlienkach, zohral rozhodujúcu úlohu. Možno to bude znieť prekvapujúco, ale prísavný efekt bol popísaný v leteckom inžinierstve už pred sto rokmi. Pojem „prízemný efekt“ zaviedlo toto odvetvie pri vysvetľovaní rôznych účinkov najmä na lietadlá s pevnými krídlami. Pri výskume zameranom na to, ako sa takéto lietadlá správajú keď pristávajú, vzlietajú, alebo letia v nízkej výške, bolo zistené a popísané, že keď lietadlo letí na úrovni zeme približne vo výške, ktorá je zhodná s dĺžkou rozpätia krídel lietadla, prerušia sa víry na konci krídel a vzduch prúdi za krídlom. To znižuje odpor, čo má zase za následok zvýšenie rýchlosti a vztlak lietadla. Čím nižšie je krídlo k zemi, tým je efekt výraznejší.

V praxi sa o to v nemeckom Friedrichshafene snažil Claude Dornier, ktorý sa pokúsil postaviť transatlantické lietadlo DO-X, ktoré malo na svojej trase lietať nízko nad morom, aby tento efekt naplno využilo. V roku 1932 to bolo najväčšie a najťažšie lietadlo na svete, schopné prepraviť 66 pasažierov a keďže sa jednalo o hydroplán, všetci ho prezývali lietajúca loď. Komerčný úspech však nikdy nedosiahlo.

Vráťme sa ale späť k autám. V rovnakom období francúzsky konštruktér René Prevost opísal auto, ktoré využíva Venturiho efekt. Jeho návrh, ktorý bol doplnený nákresom a fotografiou, uverejnil časopis The Automobile Engineer v septembri 1928. Prevost veril, že jeho myšlienka pomôže jazdcom a výrobcom automobilov prekonať pozemný rýchlostný rekord. Práve tridsiate roky by sa dali nazvať aj desaťročím rýchlosti. Medzi rokom 1929 a začiatkom druhej svetovej vojny bol rýchlostný automobilový rekord prekonaný jedenásťkrát a jeho úroveň sa zvýšila z 370 km/h na 592 km/h. Tieto preteky v rýchlosti sa odohrali medzi Britmi a nastupujúcim nacistickým Nemeckom. V Nemecku bol dokonca v 30. rokoch prijatý patent, ktorý jasne dokazuje, že už vtedajší inžinieri mali aspoň základné znalosti o tejto technológii.

Na konci tejto éry kraľovali štátom podporované automobilky Mercedes-Benz a Auto Union, ktoré ovládli aj svet veľkých cien. Ich vtedajšie monoposty boli bezpochyby úžasnými kusmi automobilového inžinierstva, ktoré predbehli dobu minimálne o 40 rokov a v niektorých ohľadoch sú dodnes nadčasové.

Spočiatku mal navrch Mercedes, ale inžinieri v Auto Union nechceli ostať pozadu. Ich zbraňou v honbe za rýchlostným rekordom bol v roku 1938 Auto Union V16 Streamliner. Bol to v podstate upravený monopost – typ C, ktorý automobilka nasadzovala do veľkých cien. Na jeho bočnice boli pridané jednoduché aerodynamické panely, čo bola prvá snaha riadiť prúdenie vzduchu okolo auta.

Vtip je v tom, že vtedajší inžinieri nie celkom dobre pochopili, čo týmto vylepšením spôsobili. Panely mali pôvodne brániť prúdeniu vzduchu do priestoru pod autom. Zatiaľ čo elegantné tvary auta dokázali relatívne ľahko prerážať vzduch, pod ním sa dialo niečo iné – predok auta sa zdvíhal. Jeho plochá podlaha totiž vytvárala pod autom oblasti s vysokým tlakom. Na konci jazdy boli panely pozdĺž bokov auta ohnuté a zdeformované monumentálnym prísavným efektom, ktorý vytváralo auto pri najvyšších rýchlostiach.

Navyše si treba uvedomiť, že autá určené na prekonávanie rýchlostných rekordov boli konštruované len na jazdu v priamom smere. Teoreticky sa tak ich konštruktéri vôbec nesnažili hľadať prítlak, ktorý je potrebný predovšetkým na rýchly prejazd zákrut a týmto fenoménom sa až tak nezaoberali. Urýchlené testovanie vo veternom tuneli pritom ukázalo, že už pri šesťstupňovej odchýlke od priameho smeru sa auto stávalo neovládateľným, avšak na prerábku nebol z ideologických dôvodov čas.

A tak hoci Auto Union V16 Streamliner využíval prísavné efekty vo veľmi primitívnej forme, išlo o prvú úspešnú aplikáciu riadeného prúdenia vzduchu okolo auta. Podľa všetkého bol Streamliner aj prvým pretekárskym strojom na svete využívajúcim prísavný efekt. V Auto Unione tak neúmyselne vytvorili, hoci vo veľmi primitívnej forme, prvé auto na svete, ktoré vytváralo prostredníctvom prúdenia pod podlahou prítlak. Ale sily, ktoré pôsobili na auto, neboli vo svojej dobe dostatočne pochopené. Bol to skôr omyl, ktorý by pri správnom pochopení pomohol vyriešiť problémy auta, za ktoré napokon Bernd Rosemeyer zaplatil životom.

V 60. rokoch bola situácia v navrhovaní monopostov Formuly 1 stále v mnohých veciach podobná ako pred druhou svetovou vojnou. Konštruktéri sa snažili čo najviac znížiť odpor auta a zameriavali sa na čo možno najdokonalejšie obtekanie vzduchu okolo neho. Vôbec sa nesnažili využiť sily, ktoré môže vzduch generovať.

V tomto období sa však začínalo rozvíjať chápanie aerodynamiky. Americká vesmírna agentúra NASA usilovne pracovala na vývoji svojich aerodynamických tunelov, pričom v nich okrem iného skúmala aj ako pôsobí na autá efekt vlniacej sa cesty. Na oboch stranách Atlantiku sa opäť rozbehli preteky v dosahovaní rýchlostných rekordov na zemi aj na vode. Rýchlosti už dosahovali takú úroveň, že pokročilá aerodynamika bola rozhodujúca nielen pre dosiahnutie vysokých rýchlostí, ale aj pre udržanie stroja pod kontrolou. Myšlienka využiť spodok pretekárskeho auta na generovanie prítlaku a efektívne prisávanie auta k trati bola prvýkrát využitá v 60. rokoch.

Počiatky účelového použitia prísavného efektu v pretekoch siahajú do roku 1961 a spojené sú s menom Američana Jima Halla, ktorý v Texase vyrábal športové autá značky Chaparral. Na svojom aute s jednoduchým typovým označením 2 skúšal rôzne inovácie, ako napríklad použitie sklenených vlákien ako materiálu na výrobu karosérie. Tie sa na jeho autách objavili dávno predtým, ako sa začali využívať vo Formule 1. Experimentoval  aj s vozidlom s motorom Chevrolet V8 vpredu. V spolupráci s aerodynamikami tohto amerického výrobcu postavil auto, ktorého celý tvar karosérie mal napodobniť tvar obráteného krídla. Predná časť mala vysoký nos, auto malo zakrivenú podlahu a zadnú časť vychýlenú nahor.

Na oboch koncoch auta vytvorili polovičné tunely v tvare Venturiho trubíc, teda niečo ako dnešné difúzory. Cieľom bolo zrýchliť prúdenie vzduchu pod autom. Problém bol v tom, že nasávanie vzduchu v prednej časti spôsobovalo zdvihnutie auta, pričom hmotnosť motora bola jediná vec, ktorá zabránila jeho prevráteniu. Bolo jasné, že tento koncept nefunguje. V skutočnosti nos vytváral značný zdvih. Aby Hall tomu zabránil, namontoval podľa návrhu aerodynamikov Chevroletu na spodok nosa masívny spojler, ktorý však generoval taký veľký prítlak, že sa kolesá začali prerezávať cez hornú časť karosérie. Tento koncept nebol v tom čase úplne pochopený, keď takéto auto vôbec nevytváralo prísavný efekt a Jim Hall túto myšlienku ani ďalej nerozvíjal.

V Amerike sa v roku 1966 zrodil seriál športových áut CanAm, ktorých konštrukcia nebola vôbec obmedzovaná. Otvoril sa tak priestor na rôzne experimenty. Medzi konštruktérmi vynikal práve Jim Hall. Ako sa jeho športové auto vyvíjalo, menilo rozmery a tvar. V jeho označení sa rôzne modifikácie odlišovali pridaním písmen abecedy. V CanAm najskôr prišiel s typom 2C s prítlačnou plochou na zadnej časti karosérie a nastaviteľným zadným krídlom, ktoré sa na rovinkách sklápalo do vodorovnej polohy, teda niečo na spôsob systému DRS na dnešných monopostoch. Jedinou slabinou typu 2C bola poruchová poloautomatická prevodovka bez spojky, ktorá mala jazdcovi uvoľniť nohu na ovládanie krídla.

Ďalšou veľkou inováciou bol model 2E, ktorý sa prvýkrát objavil na trati v Bridgehamptone v roku 1966. Ten sa stal vzorom prakticky pre všetky pretekárske autá. Jeho chladiče boli presunuté z tradičného umiestnenia v prednej časti na obe strany kokpitu a veľké krídlo s premenlivým sklonom bolo namontované na vzperách niekoľko desiatok centimetrov nad zadnou časťou auta. Na rozdiel od krídla lietadla bolo otočené naopak, takže generovalo prítlak namiesto vztlaku. Tým, že bolo pripevnené priamo k zadným závesom, vytváralo tlak na pneumatiky, vďaka čomu mali v zákrutách zvýšenú priľnavosť. Kanálmi v prednej časti bol smerovaný vzduch smerom nahor, čím sa vytváral dodatočný prítlak aj na prednú nápravu.

Najneobvyklejšou konštrukciou Jima Halla bol však model 2J. Na prvý pohľad vyzeral skôr ako neohrabaná krabica, ale dosahoval obrovskú priľnavosť a vďaka nej lepšiu manévrovateľnosť pri všetkých rýchlostiach. V sérii Can-Am bol v kvalifikáciách minimálne o dve sekundy rýchlejší ako ďalšie najrýchlejšie auto, ale jeho úspech opäť potopili mechanické problémy, keď dokončilo len dva preteky. Na spodných hranách podlahy od predných kolies k zadnej časti boli kĺbové plastové lemy, ktoré tesnili podvozok s vozovkou. Boli integrované so systémom odpruženia, takže ich spodná časť si udržiavala konštantnú vzdialenosť jeden palec od povrchu bez ohľadu na anomálie na povrchu vozovky.

Toto auto, prezývané aj vysávač malo vzadu umiestnené dva upravené ventilátory z vojenského tankového motora, poháňané jedným dvojtaktným dvojvalcovým motorom. Lišty, ktoré začínali tesne za prednými kolesami a obchádzali aj zadné kolesá, vytvorili zónu, v ktorej mohli ventilátory vytvoriť podtlak, ktorý bol nezávislý na rýchlosti automobilu. To mu umožňovalo prechádzať zákruty s bočným preťažením až o 0,5 G väčším ako jeho konkurenti. Prítlak bol riadený a generovaný pomocným motorom s ventilátormi, takže sa nezvyšoval s druhou mocninou rýchlosti, vďaka čomu bolo auto celkom pohodlné (nepotrebovalo žiadne tuhé odpruženie) a konkurencieschopné.

Najzaujímavejšie bolo sledovať auto po jeho naštartovaní, keď sa karoséria viditeľne znížila k vozovke. Hoci model 2J nevyhral žiadne preteky, Americká asociácia športových áut po tlaku ostatných tímov na konci sezóny 1970 tento koncept zakázala. Napriek tomu už vtedy toto auto demonštrovalo potenciál prítlaku vytvoreného oblasťou zníženého tlaku vzduchu v spodnej časti vozidla. Auto samotné nevyužívalo aerodynamický princíp prísavného efektu, keďže podtlak pod podlahou bol vytváraný vysávaním vzduchu prostredníctvom ventilátorov. Chaparral 2J mal ale veľa konštrukčných prvkov, ktoré boli neskôr použité práve pri využívaní prísavného efektu na monopostoch. Po sérii ťažkých nehôd však boli pohyblivé aerodynamické zariadenia zakázané vo väčšine kategórií motoristického športu a ich použitie muselo byť prispôsobené tomuto zákazu.

Vo svete Formuly 1 sa myslenie pod vplyvom týchto inovácií tiež rýchlo menilo. Od roku 1968 sa pozornosť zamerala najskôr na krídla, ktoré sa začali montovať na monoposty. Mimochodom aj v tomto smere bol vo Formule 1 prvý Colin Chapman, keď jeho Lotus 49B nastúpil do Veľkej ceny Monaka 1968 s klinovitým krídlom nad motorom, ktorým sa inšpiroval pri pretekoch v Indianapolise.

Hneď v nasledujúcej Veľkej cene Belgicka sa už objavili klasické krídla na monopostoch Brabham a Ferrari. Najskôr na zadnej náprave a neskôr v sezóne aj na prednej. Nepochopenie ich fungovania však malo katastrofálne následky s množstvom nehôd. Krídla boli podobne ako na Chaparraloch montované na vysokých vzperách priamo na nápravy, pričom vzpery dosahovali často až bizarnú výšku. Následné nehody spôsobené ich kolapsom viedli k tomu, že krídla s meniteľným nastavením namontované na zavesenie kolies boli úplne zakázané.

Prítlačné krídla mali však aj svoje nevýhody. Dôvod je jasný a poznáme ho aj dnes – s vyššou priľnavosťou v zákrutách vďaka novoobjavenej prítlačnej sile, súvisela tiež nižšia maximálna rýchlosť na rovinkách kvôli vyššiemu odporu vzduchu. Evidentné to bolo najmä na vysokorýchlostných tratiach ako napríklad Monza. S rastúcou rýchlosťou rástla aj potreba porozumieť silám, ktoré s tým súvisia, a tomu, ako na auto pôsobia. Tímy začali najímať ľudí z leteckého priemyslu, ktorí im mali pomôcť prešliapavať cestičky, na konci ktorých bolo cieľom nájsť spôsob, akým by pretekárske autá mohli generovať prítlak a nestratili by pritom nič zo svojej rýchlosti.

Teraz sa možno zamýšľate nad tým, akú úlohu vlastne zohral Colin Chapman v oblasti prísavného efektu, keď už vlastne všetko bolo dávno objavené a vymyslené. S aerodynamikou podlahy sa pohrávali mnohí dizajnéri, ale dosiahnuť, aby princíp fungoval na štíhlom monoposte s odkrytými kolesami, sa spočiatku zdalo nerealizovateľné. Prísavný efekt totiž používali hlavne športové autá so širokou karosériou postavenou okolo kolies.

Majiteľ Lotusu bol inovátorom, ktorý od svojho príchodu do Formuly 1 stanovoval nové štandardy. Bol zvyknutý udávať smer vývoja, mnohí dokonca tvrdili, že sa v tejto úlohe vyžíval. Práve koncept Chaparralu 2E preniesol najskôr v roku 1968 na monopost pre preteky v Indy. K tomu pridal klinový profil, pohon všetkých štyroch kolies a motor s plynovou turbínou. Výsledkom bol Lotus 56. Nie všetky z týchto inovácií sa osvedčili na pretekárskej dráhe, avšak nástupca typu 56 spôsobil v najvyššej kategórii monopostov opäť raz revolúciu. Futuristický klinový profil typu 72 s chladičmi na oboch stranách kokpitu, predné vnútorné brzdy, nová technológia odpruženia s torznou tyčou, prenesenie hmotnosti monopostu na zadnú nápravu a trojdielne zadné krídlo, ku ktorému neskôr pribudol airbox, sa čoskoro stali v F1 štandardom.

Revolučné auto dokázalo vďaka rôznym modifikáciám víťaziť aj po piatich sezónach. Jeho pôvodná náhrada, typ 76, bola postavená a neúspešne pretekala v sezóne 1974. Najskôr trpela problémami s elektronickou spojkou a potom prehrievaním, čo prinútilo tím vrátiť sa k typu 72, s ktorým Ronnie Peterson dokonca bojoval o titul. Ale v lete 1975 sa tím Lotus ocitol v hlbokých problémoch. Potenciál typu 72 bol vyčerpaný, k čomu prispel aj odlišný vývoj najnovšej generácie pneumatík Goodyear.

Colin Chapman však stále nemal jeho dôstojného nástupcu. Tento moment neskôr popísal motoristický novinár Doug Nye: „O tri roky neskôr, keď sedel vo svojej obrovskej kancelárii v Ketteringham Hall, mi Colin Chapman povedal, ako sa potom posadil a vážne premýšľal o tom, ktorým smerom sa vydať. A rozhodol sa, že odpoveďou je auto s podlahou v tvare krídla.“ Myšlienkou využiť spodok pretekárskeho auta na generovanie prítlaku sa totiž zaoberal už dlhšiu dobu. Čoraz viac si začal uvedomovať potenciál takéhoto auta. Poďme ale pekne poporiadku.

Keď v sezóne 1968 Medzinárodná automobilová federácia umožnila neobmedzené sponzorstvo, Lotus už na Veľkej cene Španielska ako prvý továrenský tím (druhý po zákazníckom tíme Gunston) predstavil svoje monoposty vo farbách svojho podporovateľa Imperial Tobacco. Získané peniaze však Chapman neinvestoval len do monopostu, ale aj do rozšírenia tímu. V nasledujúcom roku založil oddelenie výskumu a vývoja, ktoré malo fungovať nezávisle od pretekárskeho tímu mimo každodenného tlaku. Jeho hlavnou úlohou bolo poskytnúť Chapmanovi odpovede na niektoré jeho otázky a otestovať uskutočniteľnosť jeho nápadov. Peniaze použil aj na sponzorovanie výskumu aerodynamiky podlahy, ktorý viedol Shawn Buckley na Kalifornskej univerzite v Berkeley. Výskum začal v roku 1969 a Buckley skúmal, ako prúdenie vzduchu pod autom vzájomne spolupôsobí s traťou. Neskôr, už ako profesor strojárstva na súkromnej univerzite MIT, spolupracoval Buckley s Lotusom na vývoji typu 78.

Vráťme sa však späť do roku 1969. Prví dvaja členovia oddelenia výskumu a vývoja boli bývalý konštruktér Brabhamu Ralph Bellamy a vedecký výskumník Peter Wright, ktorý pracoval v aerodynamickom tuneli spoločnosti Specialized Mouldings a predtým spolupracoval aj s tímom BRM. V Lotuse dostal za úlohu skúmať využitie plastov. V polovici sezóny 1969 prišiel z BRM hlavný inžinier Tony Rudd, ktorého brilantná myseľ dokázala hľadať odpovede na otázky Colina Chapmana. Práve on bol poverený vedením oddelenia dlhodobého výskumu a vývoja v Ketteringham Hall, blízko továrne Lotusu v Hetheli. O tom, ako mu Colin Chapman dôveroval, svedčí aj fakt, že v roku 1975 sa stal riaditeľom tímu Lotus. Na začiatku sedemdesiatych rokov sa toto oddelenie sústredilo predovšetkým na vývoj typu 72.

Keď sa majiteľ Lotusu rozhodol skonštruovať auto s podlahou v tvare krídla, spísal podrobný koncepčný dokument, v ktorom stanovil svoje požiadavky a v auguste 1975 ho predložil svojmu inžinierovi Tonymu Ruddovi. Ten si na tento moment aj po rokoch dobre pamätal: „V tom slávnom 27-stránkovom dokumente (Chapman, pozn. red.) nielenže navrhol cestu, ktorou sa vydať, ale vymenoval aj všetky otázky, na ktoré nepoznal odpoveď, a potom to nechal na mňa a mladých chalanov, aby sme mu na všetko našli odpovede…“

Práve v tom spočívala genialita Colina Chapmana. Dokázal rozpoznať plný potenciál prísavného efektu, zorganizoval výskum a vývoj potrebný na jeho realizáciu a výsledok preniesol na trať s ohromujúcim efektom. Jeho prvý pokus, monopost Lotus 78, bol dobrý, ale stále to nebolo celkom ono. Druhý pokus, ktorým bol Lotus 79, však prinútil všetkých súperov v F1 postaviť sa za rysovacie dosky a prinajmenšom okopírovať tento koncept.

Tento článok je súčasťou série o prísavnom efekte. Nasledujúcu časť nájdete TU.