Lotus 78 – A Forma 1 turbulens levegő okozta gondjának megoldása? (fotó: GTPlanet.net)

Folytassuk a már megkezdett cikket az autók témájával, ahogy ígértem! Ma a turbulens levegő okozta problémára fordítjuk a figyelmet, ez ugyan pici szelete a Mindmapnek, amit készítettem, de nagyot lehetne nyerni, ha sikerülne egy kellően jó megoldást találni erre a jól ismert gondra!

Aki látott már achív felvételt a Forma 1-ről, annak feltűnhetett, hogy a turbulens levegő csak a ’80-as évek végétől, 90′-es évek elejétől jelent meg komoly problémaként! Ez marhajó, de akkor mi volt előtte? Az 50′-es és 60′-as években az aerodinamika a Forma 1-ben még rettenetesen gyerekcipőben járt, így ugorjunk a 70′-es évek végére, mikor megjelent a Lotus 78 és olyan kanyarsebességet produkált, mint előtte egyik másik versenyautó sem, komoly fejvakarásra késztetve a konkurenciát. Mi volt olyan különleges a Lotus 78-on? …és mi a baj ma?

Nos a válaszhoz először is másszunk bele egy kicsit a dolgok fizikai hátterébe! Kezdjük az alapoknál: minden folyadékban vagy gázban mozgó testre erő hat, ami két részre bontható: a mozgás irányába esőt szokás közegellenállásnak, a rá merőlegest pedig felhajtóerőnek hívni.

Egy szárnyprofilra ható erők szemléltetése: v az áramló közeg sebessége, G a nehézségi erő, h a szárny húrhossza, Fy a felhajtó, Fx az ellenállás erő, fekete nyíllal a kettő között az eredő légerő  (fotó: Wikipedia)

A közegellenálláshoz fontos ismernünk Bernoulli törvényét is, ami egyszerűen annyit jelent, hogy minél nagyobb a levegő sebessége, annál kisebb a nyomása és ez számunkra erőt generál! Általános alakban:

 {v^2 \over 2}+gh+{p \over \rho}=\mathrm{konstans}
Bernoulli törvény állandó nehézségi erő esetén: v az áramló közeg sebessége, g a gravitációs gyorsulás, h a magasság, p az áramló közeg nyomása

Mivel a Forma 1-es autók közege a levegő, ezért a légellenállás a legfontosabb, ami a következő alakban írható fel:

Légellenállás: C a test alakjából adódó ellenállási tényező, ρ a közeg sűrűsége, A a test homlokfelülete (azaz a mozgás irányára merőleges felület nagysága), v pedig a sebesség

Nyilvánvalóan más erő is hat az autóra (gördülési ellenállás pl.), de intuitív módon is érezhető, hogy a Forma 1-ben dolgozó aerodinamikával foglalkozó mérnökök leginkább a C és A paraméterekre, azaz a test alak-ellenállási tényezőjére és annak homlokfelületére gyúrnak. Egy test előtt az áramló levegő lelassul, mögötte pedig felgyorsul, tehát Bernoulli törvénye szerint a test előtti levegő nyomása magas, míg mögötte alacsony. 

Most hogy mindezt tudjuk, hogyan befolyásolja a test alakja a levegő áramlását? Hogyan lehetne gyorsítani a levegőt, hogy csökkentsük a nyomását és ezzel erőt generálhassunk? Na, erre adott választ az olasz fizikus, Battista Venturi a következő kísérlettel: vett egy csövet, melybe beépített a szűkebb keresztmetszetű szakaszt, de nem ám ahogy esik úgy puffan alapon, hanem úgy, hogy az áramlás irányában fokozatosan csökken  a cső keresztmetszete a bejáraton (ez a konfúzor) és fokozatosan növekszik a kijáraton (diffúzor). Venturi azt tapasztalta, hogy Bernoulli törvénye itt is igaz, tehát a levegő gyorsabban megy át a szűkített szakaszon, ergó a nyomása is kisebb. 

Venturi-cső: A1 a cső eredeti keresztmetszete, v1,p1 a levegő konfúzor előtti sebessége és nyomása, v2,p2 értelemszerűen a diffúzor utáni (fotó: Wikipedia)

Tehát, ha a versenyautónk alatt képesek volnánk egy Venturi-csövet kialakítani, akkor lényegében készen is volnánk? Majdnem! A versenyautó padlólemeze, azaz parasztosan az alja az autó által generált leszorítóerő kb. felét adja manapság, de korábban ez még több volt. Hogy csinálták?? …és hogy a fenébe jön mindez a Lotus 78-hoz???

Még egy utolsó dolog van, amire ki kell térnünk, mégpedig az alak-ellenállás tényező:

Alak-ellenállási tényezők (Drag Coefficient), minél kisebb annál jobb! (fotó: Wikipedia)

Szépen látható, hogy a természetben is megtalálható csepp-alak az áramlástanilag legelőnyösebb forma. Sajnos ez a forma nem lenne teljesen megfelelő a számunkra, mivel szimmetrikus, tehát mindkét felén ugyanolyan sebességgel áramlik a levegő Bernoulli törvényének értelmében! Akkor hogy lehetne olyan alakot alkotni, amelyik egyik felén gyorsabban kénytelen átmenni a levegő és ezzel erő jön létre? A válasz a repülésben rejlik (de az iménti ábrán is látszik már a megoldás :)) ): a szárnyprofil tökéletesen erre a célra lett anno kialakítva!

Szépen látható, hogy a nagyobb utón haladó levegő gyorsul, ezáltal csökken a nyomása, tehát erőt generál! (fotó: Warp)

Mostmár csak egy pici gondunk van, mégpedig a generált erő iránya, hiszen nem repülni akarunk, hanem minél inkább szívódni az aszfalt fele, de végülis ez nem gond, nem? Megfordítjuk a szárnyat és máris lefele fog menni az a nyíl! Ez volt a zseniális ötlete a Lotus főtervezőjének, Colin Chapmannek és ettől volt a Lotus 78 különleges!

Lotus 79: Nagy sebesség, minimális turbulens levegővel? Colin Chapman megoldotta ezt a problémát már több mint 40 éve! (fotó: Motorsport.com)

A képen ugyan a testvére a Lotus 79 van, de az elv ugyanaz! Az autó oldaldoboza egy fordított szárnyprofilt rejt, ami az autó oldaldobozának egészen a talajig húzott falával már egy Venturi-csövet alkot. Így tudott hihetlen kanyarsebességet a Lotus, hiszen mindabból, ami eddig elhangzott az következik, hogy minél gyorsabban ment, annál jobban szívta ez a 2 cső a talajhoz az autót. Ráadásul a cső diffúzor része úgy volt kivezetve, hogy a hátsó szárnyat nagy százalékban érte a kiáramló levegő, így az autó hátsó része is tapadt, miközben nem volt annyira kavargó a levegő az autó mögött!

1978, Svéd Nagydíj: bemutatkozik a Brabham BT46B, ami első és egyben utolsó versenyén győzedelmeskedik a Lotus 79 ellen! (fotó: CarThrottle.com)

Nem Colin Chapman volt az egyetlen, aki erre rájött! Gordon Murray, aki 1978-ban a Brabham főtervezője volt, szintén egy Venturi-csővel futó autót akart, de az Alfa Romeo 12 hengeres boxer motorja miatt nem volt helye szépen végigvezetni a csöveket, míg a Lotus esetében ez nem volt gond, hála a Cosworth V8 kis helyigényének. Szerencsére Murray is ravasz mérnök volt, gyors megoldás kellett, hát megadta: egy óriási ventilátort szerelt a Brabham BT46 hátuljába, aminek segítségével kiszívta az autó alól a levegőt, közel ugyanazt a hatást elérve, mint a Lotus trükkös oldaldobozai.

Murray zseniális megoldása: a levegő belép az autó alá (1), az autó oldalán a földig húzott fal, vagy szoknya bent tartja a levegőt (2), a hideg levegőt beszívja a hűtőtest (3) és végül a ventilátor kiszívja a levegőt az autó alól (4) (fotó: CarThrottle.com)

Lenyűgözően kreatív és elmés megoldás, ráadásul a ventilátort összekötötték a motorral, így annak fordulatszáma határozta meg a ventilátor fordulatszámát is, ergo a pilóta sokkal pontosabban tudta szabályozni a szívó hatást. Niki Laudának elsőre komoly gondot okozott az autó vezetése, teljesen ellentmondásos volt számára a gondolat, hogy lépjen a gázra kanyarban, úgy gyorsabban át tud menni. A Svéd Nagydíjon végül idegőrlő csatában hibába kényszerítette a Lotus 79-el addig uralkodó (és későbbi világbajnok) Michael Andrettit és nyert, de öröme nem tarhatott túl sokáig, mert a BT46B megoldását a verseny után soha többet nem használták, hiába minősítették szabályosnak. A csapatfőnök egy bizonyos Bernie Ecclestone már akkor dolgozott azon, hogy a Forma 1-en belül igencsak erős pozícióba kerüljön és a várható óvások tömkelege nem segítette volna ezen törekvését…

Adódik a kérdés: ha ilyen fantasztikus megoldásaink voltak 40 éve, akkor mi történt? Nos, a gond abban rejlett, hogy a Ground Effect autó (igen, pontosan innen a nevünk :))) ) nagyon érzékeny volt, ha bármi miatt megszűnt a szívóerő, akkor a jó ég se tudta mi fog történni: legjobb esetben megpördül, legrosszabb esetben elrepül, ami ki tudja mivel végződik…Az FIA túlságosan veszélyesnek találta ezt, és 1984-től betiltotta a Ground Effect autókat  és megjelentek az ún. Flat Bottom autók:

1984: Megszületik a mai F1-es autó őse (alul) és eltűnnek a Ground Effect autók (felül) (fotó: Motorsport.com)

Ha sikerült mindent megjegyezni, ami eddig elhangzott, akkor az Olvasó már akkor is látja, mi a gond, ha ránéz a rajzra: a gond a diffúzor és az autó alap koncepciójának megváltozása! Előtérbe kerül az első szárny, mint elsődleges belépési pont az áramlás szempontjából (míg a Ground Effect érában gyakran le is szerelték, főként a gyors pályákon), a diffúzor nem terel már semmit a hátsó szárnyra, így nincs ami megvezesse az autó alól kilépő levegőt.

Íme a gond, amivel a Forma 1 immár 35 éve küzd, egy 2017-es szabályoknak megfelelő autó CFD modelljén keresztül!(1)

Ráadásképp a mai diffúzorok több apró járatból állnak, amik tovább fokozhatják a kavargó levegőt az autó mögött és mivel az első szárny az elsődleges belépési pont, nem jut elég levegő rá és így az autó alá sem, tapadást veszít a pilóta üldözés közben. Kis összehasonlításképp nézzük meg a Lotus 79 és Lotus 80 megoldását közel 40 évvel ezelőttről:

Lotus 79 és Lotus 80: Az első Ground Effect autó, ami világbajnokságot nyert és az ambíciózus utódja, ami csúfos kudarcot vallott végül (fotó: F1)

Érezhető szélcsatornás teszt vagy CFD modell nélkül is, hogy mennyivel egyszerűbb lehetett ezeket az autókat követni a maiakhoz képest, a Lotus 80 Venturi csöve már beleért a hátsó szárnyba, ami nagyon alacsonyan volt elhelyezve. Nézzük meg 4 rövid videón keresztül, hogyan alakult az F1-es autók aerodinamikája az idők alatt és szegezzük figyelmünket a Ground Effect autókra plusz a betiltás utáni gépekre:

Gyönyörűen megfigyelhető, hogyan változott az első szárnyak jelentősége a 60′-as évek végi megjelenésüktől a ’90-es évekig: egyre szofisztikáltabb alakot öltöttek a szárnyak, aztán a Ground Effect érában sokszor le is szerelték, ezt is vegyük szemügyre: mivel nincs első szárny, így a felfüggesztések vezetik meg először a levegőt. Alant pedig egy 2017-es szabályoknak megfelelő gép első szárnyának CFD modellje:

Egy 2017-es szabályoknak megfelelő első szárny CFD Modellje(1)

Nagyon szépen látszik, hogy a 90′-es évekhez képest is mekkorát fejlődött az első szárny: immár nem egy csatornán, hanem 4-5-ön tereli a levegőt a bargeboard, a fékbeömlő és a kerék mellé. Talán már látjátok, miért is annyira fontos, hogy az első szárnyra milyen szabályok vonatkoznak a Flat Bottom érában.

A padlólemezek már a ’70-es évek közepétől nagyon fontos szerepet töltöttek be, majd a Ground Effect megjelenése mindent átalakított, betiltása pedig komoly kihívás elé állította a mérnököket. Érdemes megfigyelni, hogyan változik az autó mögötti kavargó levegő, ahogy megjelenik a mai diffúzor őse a 80′-as évek elején és ezzel együtt a szofisztikált hátsó szárnyak is. A 2017-es szabályoknak megfelelő autó CFD modelljét feljebb már láttuk. 

Érdekességképp utazzunk végig az évtizedeken és nézzük meg kívülről, egyben is, milyen volt a korabeli autók aerodinamikája(2) :

Mindebből adódik a válasz a címben feltett kérdésre, nem igaz? Hozzuk vissza a Ground Effect autókat, megfelelő szabályozással és jó esélyünk van rá, hogy megoldottuk a turbulens levegő okozta gondot, miközben a tempóból se veszítünk túlságosan sokat!

Szerencsére Rajtam kívül a Forma 1-hez sokkal közelebbi emberek is hasonló véleményen vannak: Nico Rosberg egyértelműen a Lotus 78-on debütált Venturi csöveket támogatná, az ex-Ferrari, mostmár Mercedes szakember James Allison a Brabham BT46B ventilátoros megoldását szeretné visszahozni. Brawn állítólag nagyon komolyan fontolgatja a Ground Effect autók visszahozatalát, amit erősen támogatok! 

Búcsúzásképp nézzünk meg 2 legendássá vált párbajt a sport történelméből, amiket nem meglepő módon Ground Effect autókkal! Az első a szinte Mindenki által ismert Gilles Villeneuve kontra René Arnoux meccs az 1979-es Francia Nagydíjról:

A második pedig a szintén ismert Gilles Villeneuve, Didier Pironi vérre menő küzdelem az 1982-es San Marino Nagydíjról:

Ha idáig eljutottál Kedves Olvasó, köszönöm kitartó figyelmed, remélem szórakoztató, tudományos, de mégis könnyen fogyasztható módon sikerült tálalnom ezt a korán sem egyszerű témát!

A következő részben a gumikról és a motorszabályokról fejtem ki a véleményem!

Megjelölt források:

  1.  https://www.davidpublisher.org/Public/uploads/Contribute/5b88eb315a456.pdf 
  2. https://community.plm.automation.siemens.com/t5/Simcenter-Blog/A-CFD-Story-The-Brief-History-of-Formula-One-Aerodynamics/ba-p/488689


0 válaszok

Hagyjon egy választ

Want to join the discussion?
Feel free to contribute!

Vélemény, hozzászólás?