Záludnosti aerodynamiky vozů F1: Víry, úplavy, složitá křídla a matice kol

Co přesně je vír?Aerodynamici se budou o přesnou definici přít, ale jednoduše jde o souvislý rotační tok tekutiny kolem jádra s nízkým tlakem. Vír vidíme pokaždé, když voda vytéká ze umyvadla, zatímco satelitní fotografie tropických bouří dokládají sílu víru.

Proč jsou tak důležité?Protože vír představuje proud vzduchu o vysoké energii, může být využit pro řízení menších toků vzduchu. Jednou ze silných stránek řízení toku víru je skutečně to, že můžete využít kombinaci vírů pro vytvoření čistého proudění odlišným směrem.

Například si představte, že byste dokázali vytvořit vír, který by se točil proti směru hodinových ručiček, a o něco níže by se druhý točil ve směru hodinových ručiček. Tam, kde by se dva otáčející se toky setkaly, tam by mezi oběma víry putovaly stejným směrem, podobně jako dvě ozubená kolečka, a proto by okolní vzduch tlačili tímto směrem.

Co děláte pro to, aby se vír otáčel určitým směrem?Vzduch je líný a vždy si vybere tu nejsnazší cestu ke stabilnímu stavu. Představte si letadlo letící vzduchem. Je podporováno tím, že má pod křídlem vyšší tlak než nad ním. Na špičce křídle se chce vzduch o vyšším tlaku zakroutit, aby se připojil ke svém kamarádům s nižším tlakem.

Video: Vzdušné víry vznikající na špičkách křídel dopravních letadel(zdroj: youtube.com)

Pokud se bavíme o pravém křídle, pak při pohledu zezadu vzduch putuje proti směru hodinových ručiček zespoda nahoru přes špičku křídla. Ale letadlo se samozřejmě pohybuje směrem dopředu, proto je tento jednoduchý tok proti směru hodinových ručiček kvůli relativnímu pohybu křídla vůči okolnímu vzduchu zdeformován do tvaru vývrtky.

Proto se nám (při pohledu zezadu) vytváří vír otáčející se proti směru hodinových ručiček. A naopak na levé straně křídla tok rotuje ve směru hodinových ručiček, když se díváme zezadu.

Můžeš vysvětlit rozdíl mezi úplavem a vírem?Vír (anglicky vortex) jsme si definovali výše jako souvislý rotační tok. Pole proudění víru se v čase relativně moc nemění, dokud se nakonec nerozplyne. Když vezmete v potaz kondenzační čáry vznikající na špičkách křídel u letadel ve vzduchu, tak jsou docela předvídatelné.

A úplav (anglicky wake) je na druhou stranu mnohem chaotičtější pohyb vzduchu. Způsobuje ho vzduch řítící se do nízkotlakého prázdna vznikajícího za pohybující se překážkou. Zatímco vír se dá využít pro vylepšení aerodynamiky, tak úplav má téměř vždy destruktivní účinek.

Co vede k tvorbě úplavů a vírů?Úplav je vytvářen pevnou překážkou pohybující se ve vzduchu, a čím je větší, tím je větší úplav. Vír je na druhé straně vytvářen rysem objektu, který se pohybuje vzduchem a má na něm odlišné tlaky.

Souvisí veškerá ta složitost předních křídel s úplavy a víry?Opravdu ano. Samozřejmě, že prvky předního křídla fungují konvenčním způsobem jako křídlo, ale mnoho plošek a zahnutých profilů, stejně jako spodní strana bočnic, jsou navrženy pro tvorbu vírů, aby upravili tok  vzduchu z křídla směrem dozadu.

Pravidla vyžadují, abychom u předních křídel navrhovali 500mm širokou prostřední část, která je aerodynamicky neutrální. Tam, kde se napojuje na prvky vytvářející přítlak, vzniká velmi silný vír. Je známý jako vír Y250, protože se nachází ve vzdálenosti 250 mm od středové osy ve směru Y. Jde zřejmě o tu nejdůležitější tokovou strukturu celého vozu, protože se využívá k tomu, aby za předními koly zamezila destruktivnímu vlivu úplavu na aerodynamiku pod podlahou.

Věřte nebo ne, moderní přední křídlo se skládá téměř z 300 oddělených komponentů, které jsou spojeny dohromady. Navíc je k výrobě křídla zapotřebí téměř 200 forem. Jakmile jsou všechny části vyrobeny, potřebujete k jeho správnému sestavení stolici skládající se z 350 dílů. Teď chápete, proč výroba křídla trvá přes 4 týdny a proč je to tak frustrující, když tak často vidíte jejich poškozování.

Proč je úplav pro aerodynamiku tak destruktivní?Aerodynamici chtějí, aby proudění směřující ke všem povrchům bylo čisté, s minimální intenzitou turbulence. S takovým stavem se náběžná hrana předního křídla opravdu setkává v aerodynamickém tunelu nebo na dráze, když se nenachází těsně za druhým autem.

Všechny povrchy za předním křídlem čelí určité úrovni turbulence, což snižuje předvídatelnost aerodynamické výkonnosti. Je to také důvodem, proč to je pro vozy F1 tak těžké jezdit těsně za sebou. Úplav prvního vozu má totiž velký dopad na tok vzduchu, který naráží na auto jedoucí za ním.

Jak do toho zapadá foukaná matice?Cílem pole proudění předního křídla je vytlačit jeho úplav do stran, aby měl menší vliv na karosérii a zadní křídlo. Foukané matice umožňují průchod energického vzduchu přední poloosou a pomáhají s tímto vymývacím efektem.

Pokud jsou přední kola tak důležitá, jak je v aerodynamickém tunelu simulujete?Ve skutečnosti jsou z pohledu aerodynamiky důležitá přední i zadní kola. I jednoduché věci, jako je opotřebení pneumatik, má významný dopad na schopnost vozu vyvíjet přítlak. V aerodynamickém tunelu testujeme s modelem na pohyblivém pásu, který roztáčí kola a reprezentuje ten správný tok vzduchu pod vozem.

Pneumatiky na modelu představují velmi precizní reprezentaci skutečné pneumatik. Konstrukce je navržena tak, aby napodobovala zdeformovaný tvar skutečné pneumatiky, když je vystavena zátěži. Tímto způsobem můžeme vyvíjet aerodynamiku s využitím všeobecně správného tvaru pneumatiky - i když kdokoliv někdy sledoval zpomalené video vozu F1, tak ví, že se tento tvar neustále mění.