Prísavný efekt (7): Je to návrat v čase o štyri dekády?

Prechod na aerodynamiku s prísavným efektom znamená, že mnohí inžinieri vo Formule 1 sa týmto konceptom vo svojej kariére nestretli. Monoposty od sezóny 2022 budú mať podlahu tvarovanú do dvoch tunelov v tvare Venturiho trubice. Stupňovitá podlaha používaná od sezóny 1995 do roku 2021 sa tak už stala históriou.

Tento článok je súčasťou série o prísavnom efekte. Predchádzajúce časti nájdete tu:

• Prísavný efekt (1): Kľukatá cesta do Formuly 1
• Prísavný efekt (2): Lotus 78 – monopost, ktorý zohral kľúčovú úlohu
• Prísavný efekt (3): Lotus 79 – monopost, ktorý naplno využil potenciál
• Prísavný efekt (4): Lotus 79 – ťažký pôrod čiernej krásky
• Prísavný efekt (5): Lotus 79 – neslávny koniec slávneho monopostu
• Prísavný efekt (6): Brutálne posledné tri sezóny

Aktuálne predpisy povoľujú prísavný efekt a zároveň obmedzujú aerodynamiku hornej časti monopostu. Hlavným dôvodom tejto zmeny je, že prítlak vytvorený podlahou vytvarovanou do podoby Venturiho tunelov, umožní aspoň opticky priblížiť súperiace monoposty. Na definitívnu odpoveď, či sa dočkáme podobných súbojov koleso na koleso, ako v ére, ktorú mnohí pamätníci považujú za zlatú, si ale budeme musieť ešte pár veľkých cien počkať. Prvé výsledky sú však viac než povzbudivé, hoci sa zdá, že bez systému DRS sa stále nezaobídeme.

Prechod na aerodynamiku s prísavným efektom však znamená, že mnohí inžinieri vo Formule 1 sa týmto konceptom vo svojej kariére nestretli. Z ešte aktívnych konštruktérov sa takým niečim môže pochváliť vlastne len Adrian Newey. Jeho témou záverečnej práce na univerzite v Southamptone bola dokonca aplikácia aerodynamiky prísavného efektu na športové vozidlá. Svoje začiatky v pozícii aerodynamika si odkrútil v sezónach 1980 a 1981 po boku Harveya Postlethwaitea v tíme Fittipaldi a jeho prvé auto March 83G pre vytrvalostné preteky malo tiež podlahu využívajúcu prísavný efekt.

Aktívne skúsenosti má ešte technický poradca Ferrari Rory Byrne. Juhoafričan začiatkom 80. rokov pôsobil v malom tíme Toleman, ktorý práve v tom čase prišiel do sveta Formuly 1 z nižšej Formuly 2. Dnes na jeho základoch funguje tím Alpine. Pat Symonds a Ross Brawn pôsobia na opačnej strane barikády a sú to vlastne oni, ktorí stoja za jednou z najrevolučnejších zmien v konštrukcii monopostov v posledných dekádach.

Napriek obmedzeniam predpisy vytvárajú aj určitý priestor pre kreativitu, čo sme napokon mohli vidieť aj pri predstavovaní tohtoročných monopostov. Tvarované podlahy vytvárajúce prísavný efekt sú späť, ale pravidlá na druhej strane už neumožňujú tímom pridávať rôzne malé krídelká, vďaka ktorým sa dosiahlo oveľa lepšie prúdenie vzduchu okolo monopostu. Všetky tieto drobné inovácie preto v nasledujúcich sezónach už neuvidíme, ale v zásade je to oveľa lepší spôsob, akým navrhnúť pretekárske auto z hľadiska aerodynamiky.

Podlaha sa tak stáva aerodynamicky najvýznamnejšou časťou monopostov. Konštruktéri však zďaleka nemajú toľko voľnosti, ako na konci 70. rokov. Nové predpisy prísne definujú hornú aj dolnú hranicu zakrivenia podlahy. Práve úlohou tohto špecifického zakrivenia je vytvoriť oblasť nízkeho tlaku. Tímy tak majú medzi týmito hranicami voľnosti len minimálny priestor na vlastné inovácie.

Namiesto toho, aby FIA jednoducho povolila podlahy s prísavným efektom a ponechala tímom voľnosť pri aplikácii rôznych generátorov vírov, či krídel a ostatných druhov aerodynamických prvkov na monopost, umožňujú pravidlá len vývoj v oblasti smerovania aerodynamického prúdenia na vytváranie vírov na okrajoch podlahy. Tomu má napomáhať niekoľko usmerňovacích lopatiek v prednej časti podlahy. Úlohou týchto lopatiek je usmerňovať čo najviac vzduchu do strán, čím sa má generovať viac energie prísavného efektu. Tímy tak majú oveľa viac priestoru na hranie s prúdením vzduchu smerom k prednej časti Venturiho tunela. Tento priestor v strede auta je na začiatku široký približne 50 centimetrov a množstvo vzduchu, ktoré sa sem dostane, ovplyvňuje hlavne výška nosa a tvar predného krídla.

Konštruktéri si pri návrhu môžu zvoliť strmosť, čím sa dá ovplyvňovať rýchlosť stlačenia vzduchu smerujúceho pod podlahu. Čím viac expanzie potom vytvoria v zadnej časti, tým viac prítlaku získajú. Práve pochopenie toho, kde vzniká odpor v oblasti usmerňovacích lopatiek, čo znižuje výkon prísavného efektu, aké silné sú víry a či je potrebné sa ich zbaviť, je z pohľadu celkovej výkonnosti monopostu kritické. Usmerňovacie lopatky sa tímy budú snažiť využiť na prenos hybnosti prúdiaceho vzduchu z určitého priestoru s vysokou hybnosťou k priestoru s hraničnou vrstvou pri povrchu monopostu. Primárnym účinkom lopatiek je udržanie požadovaného prietoku vzduchu Venturiho kanálmi pri čo najstrmšom výstupnom uhle v zadnej časti auta.

Hrany podlahy sú kľúčovou oblasťou vývoja, pretože práve v tejto oblasti môže dochádzať k výraznému zníženiu, alebo naopak zvýšeniu účinnosti podlahy. Keď sa pohybuje monopost s prísavným efektom, je prúdenie vzduchu pod podlahou stále rýchlejšie ako prúdenie voľného prúdu vzduchu okolo monopostu. Takže celý systém monopost-vozovka má hraničnú vrstvu medzi voľným prúdom vzduchu pri trati a zrýchleným prúdom pod podlahou. Táto hraničná vrstva je definovaná ako miesto, v ktorom sa častice vzduchu pohybujúce sa po prúdnici po náraze do hrany podlahy zastavia. To znamená, že podlaha musí vyvinúť silu proti pohybu častice, aby prekonala odpor vzduchu. Podľa zákona akcie a reakcie táto sila vyvolá rovnako veľkú, ale opačne orientovanú silu, ktorá ma smer prúdnice, následkom čoho je podlaha tlačená dozadu a dole.

Medzná vrstva je podľa fyzikálnej poučky vrstva vzduchu, ktorá bezprostredne obteká povrch – v našom prípade celého monopostu. Na fyzikálnom modeli majú častice vzduchu, ktoré sú najbližšie k povrchu, ktorý obtekajú, nulovú rýchlosť. Čím ďalej sú častice vzduchu od povrchu, tým sa ich rýchlosť zvyšuje, až pokiaľ nedosiahnu rýchlosť prúdenia nenarušeného vzduchu v okolí monopostu.

V realite sa pri monopostoch nejedná o konvenčnú hraničnú vrstvu s nulovou rýchlosťou, ale o vytvorenie tlakového rozdielu, napríklad v oblasti usmerňovacích lopatiek. Ten môže vytvoriť vír, ktorý sa dostane pod hranu podlahy, čím pridá hybnosť hraničnej vrstve a monopost tak získa viac prítlaku. Podlaha totiž vytvára strmšiu expanziu vzduchu v zadnej časti monopostu a tým aj strmší tlakový gradient. Ak tímy dokážu usmerniť vír v určitej oblasti pozdĺž karosérie, pomáha to utesniť oblasť nízkeho tlaku pod podlahou, čím sa im podarí zvýšiť prítlak.

Veľké zahnuté plochy na každej strane podlahy monopostu vytvárajú dva vzájomne prepletené víry, ktoré sa dostávajú pod podlahu vozu. Pri vysokej rýchlosti prúdenia vzduchu je okolie stredov týchto vírov obklopené oblasťami nízkeho tlaku vzduchu, čím v podstate nahrádzajú tesniace lišty používané v minulom storočí, takže v podstate zvyšujú prítlak. Ten sa dá ďalej zvyšovať znižovaním svetlej výšky. Práve prísavný efekt tieto víry ako keby rozpletal tým viac, čím je podlaha bližšie k zemi. V úzkej medzere medzi vozovkou a podlahou zároveň dochádza k ich zosilneniu.

Vzduch prechádzajúci okolo lopatiek na spodnej časti difúzora sa začne víriť po oboch stranách lopatiek. Výsledný vír prenáša vzduch s vysokou hybnosťou do oblasti hraničnej vrstvy. Nové predpisy boli napísané tak, aby umožnili tímom umiestniť lopatky tak, aby sa prúd vzduchu neodtrhával od stien difúzora, ale aby sa tok vzduchu smeroval nahor. Ak sú lopatky správne navrhnuté, efektívne zvyšujú priemernú hybnosť prúdenia vzduchu a tým aj energiu prúdenia. Na jednej strane pridávanie lopatiek zvyšuje odpor vzduchu, ktorý vzniká z generovaných vírov, na druhej strane tieto víry vytvárajú väčšiu expanziu v zadnej časti a tým aj viac prítlaku.

Čo sa týka výstupu z difúzora, tímy sa snažia ísť až na hranicu jeho maximálneho rozšírenia na výstupe. Cieľom mnohých z malých trikov, na ktoré tímy prišli počas dlhoročného vývoja pri plochých podlahách, bolo dosiahnuť čo najväčšie bočné rozšírenie prúdenia vzduchu. Toto rozšírenie difúzora a rozširujúce viacprvkové zariadenia na vrchnej časti výstupu z difúzora, ktoré umožňovali staré predpisy, sú už ale pre túto sezónu zakázané. Nové pravidlá obmedzujú túto časť tak, aby bolo prúdenie rozvíreného vzduchu za difúzorom udržiavané v čo najužšom priestore. Výstupy z Venturiho trubíc usmerňujú prúd vzduchu priamo dozadu.

Nové pravidlá však obmedzujú aj pomer plochy na rozšírenie prúdenia vzduchu, pretože vzduch prúdiaci z difúzora by vytvoril oveľa širšiu vlnu zvíreného vzduchu za monopostom. Takže v tomto ohľade sa manévrovací priestor na ďalší vývoj ešte viac zužuje.

Naopak, na odtokovej hrane difúzora môžu byť umiestnené malé usmerňovače prúdenia vzduchu, tak ako to bolo aj v technických predpisoch pre sezónu 2021. Tie majú rovnaký účinok ako usmerňovacie lopatky na začiatku podlahy, pretože fungujú na rovnakých základných princípoch. FIA ponechala tímom túto možnosť, pretože s geometrickými obmedzeniami pohonnej jednotky a prevodovky, ktoré sa nemenili, nemajú konštruktéri inú možnosť, než strmú expanziu vzduchu smerom nahor.

Úlohou menších lopatiek je preniesť hybnosť do hraničnej vrstvy, aby zabránili jej oddeleniu pri prudkom rozpínaní vzduchu na výstupe z difúzora. Na rozdiel od nich väčšie pracujú s väčším objemom vzduchu a ich úlohou je čo najviac urýchľovať prúdenie vzduchu v oblasti difúzora, ktorá smeruje od trate nahor. Cieľom takéhoto riešenia je pomôcť udržať turbulentný vzduch nad monopostom, nasledujúcim vpredu idúce auto a nesmerovať tento vzduch priamo do neho, ako tomu bolo ešte v minulej sezóne.

Nové predpisy umožňujúce návrat tvarovanej podlahy skomplikovali konštruktérom ešte jednu oblasť. Okolo karosérie v oblasti zadných kolies, kde sa bočnice zužujú v tvare hrdla fľaše od Coca-Coly je miesto, kde sa tvorí oblasť nepriaznivého tlaku smerujúca k zadnej časti monopostu. Táto oblasť je po zavedení nových pravidiel ešte výraznejšia. Ak je krivka karosérie v tejto časti strmá, prúdenie vzduchu sa oddelí a vznikne vír, ktorý môže pomôcť usmerniť vírenie vzduchu, ktoré vzniká v okolí zadnej pneumatiky. Tímy sa v tejto oblasti snažia dosiahnuť kompromis. Ak by toto vírenie minimalizovali, zníži sa odpor vzduchu, pričom by stále mali dostatok priestoru ktorým sa odvádza horúci vzduch na výstupoch v hornej časti karosérie, ktoré umožňujú chladenie auta.

Na záver sa dostávame k javu, ktorý bol už niekoľkokrát spomenutý aj v tejto sérii článkov. Mnohí si možno kladú otázku, ako v dnešnej dobe mohol tímy prekvapiť porpoising, teda poskakovanie. Jav známy viac ako štyri dekády bol pritom už dávno popísaný a dá sa povedať, že aj pochopený. Nehovoriac o obrovskom množstve simulačných technológií, ktoré na rozdiel od vybavenia na začiatku 80. rokov využívajú súčasné tímy.

Odpoveď je vcelku jednoduchá. Problémom sú práve simulačné nástroje. Napriek tomu, že sa vyvíjajú už počas pomerne dlhého obdobia, stále nedokážu simulovať skutočný svet a majú svoje obmedzenia. Jedným z najúčinnejších simulačných nástrojov, ktoré majú tímy k dispozícii, zostáva stále aerodynamický tunel. Aj ten má však svoje obmedzenia a poskakovanie sa v ňom jednoducho nedá nasimulovať. Pri extrémne nízkych svetlých výškach medzi podlahou monopostu a pohyblivou pásovou podlahou aerodynamického tunela by totiž došlo k poškodeniu pohyblivej podlahy.

„Spôsob, akým podlaha funguje, najmä v nižších svetlých výškach v aerodynamickom tuneli, sťažuje preskúmanie tejto oblasti,“ vysvetlil tento problém technický riaditeľ tímu  AlphaTauri Jody Egginton. „Pri korelácii sa spoliehate na CFD. Testy sú naša prvá veľká korelačná príležitosť, takže sa učíme, ako táto podlaha funguje vo veľmi malých svetlých výškach. Na trati sa správa inak ako v aerodynamickom tuneli.“ Ostáva teda matematické modelovanie prostredníctvom CFD. Aj tu však tímy pri simulácii prúdenia vzduchu v tesnej blízkosti vozovky narazili na limity. Matematická zložitosť sa pri týchto simuláciách výrazne zvyšuje, čím sa znižuje presnosť celého modelu.

Inak povedané tímy nielenže nemôžu porovnávať údaje získané prostredníctvom matematických modelov CFD s údajmi z aerodynamických tunelov, ako to bežne robili v minulosti, ale dokonca aj údaje z CFD na skúmanie problému poskakovania sú obmedzené. Tímy preto museli počkať na testy v reálnom svete, aby mohli pochopiť rozsah problému svojich monopostov. „Dynamika v aerodynamickom tuneli je pomerne pomalá, takže veľa vecí sa môžete naučiť len na trati,“ potvrdil aj technický riaditeľ tímu Haas Simone Resta pre portál The Race. „Na simuláciách môžete reprodukovať javy a hrať sa s modelmi, ale to, čo sa deje na trati, je jediné, na čom záleží.“

Zdá sa, že niektoré tímy prekvapilo, aký silný bol prísavný efekt pri vysokých rýchlostiach a veľmi nízkych výškach podlahy nad vozovkou. A tak hoci rozpoznanie problému poskakovania monopostov je po prvých kilometroch na trati pomerne jednoduché, vyriešenie problému je zložitejšie. Je komplexný a nesúvisí len s veľkosťou Venturiho tunelov, pretože monopost generuje prítlak aj z krídiel, nie len z podlahy.

Základnými prostriedkami ako si s ním poradiť, je zvýšenie svetlej výšky, úprava tvaru podlahy tak, aby bola menej náchylná na kontakt s traťou, rôzne výrezy v podlahe na usmernenie oblasti nízkeho tlaku pod podlahou pri nízkej jazdnej výške, prípadne použitie systému DRS na zníženie zaťaženia. V chladnejšom počasí pomáha aj jemnejšie nastavenie odpruženia.

Všetky tieto opatrenia však znamenajú urobiť kompromis v oblasti celkového výkonu. To znamená, že tímy, ktoré sú najviac postihnuté týmto javom, musia nájsť také riešenie, ktoré zmierni poskakovanie a zároveň zabezpečí, že monopost nestratí príliš veľa zo svojho aerodynamického výkonu.

Aj preto sa tento problém stal jednou z veľkých tém predsezónnych testov a úvodu sezóny. Mimochodom Peter Wright, ktorý sa s týmto fenoménom prvýkrát stretol pri vývoji Lotusu 80, už o tomto probléme hovoril aj s technickým riaditeľom Mercedesu Jamesom Allisonom. Postupne ako tímy poskakovanie vyriešia, upadne do zabudnutia a v polovici sezóny už bude svet Formuly 1 riešiť úplne iné problémy.