Ένας από τους γνωστότερους μηχανικούς όρους στην F1 είναι αυτός της κάθετης δύναμης (downforce). Τι ακριβώς είναι, όμως, η κάθετη δύναμη; Πως παράγεται; Ποιές είναι οι ανεπιθύμητες παρενέργειες που αποφέρει στο μονοθέσιο;
Σε κάθε χειμερινές δοκιμές ακούμε διάφορα σχόλια όπως “το μονοθέσιο αυτό δεν είναι καλά στημένο αεροδυναμικά” ή “παράγει πολλή κάθετη δύναμη και χάνει στις ευθείες”. Σε τι ακριβώς αναφέρονται, όμως, τα παραπάνω σχόλια;
Τι είναι η κάθετη δύναμη (downforce)
Ως κάθετη δύναμη, ορίζεται η δύναμη που κρατάει το μονοθέσιο κολλημένο στο οδόστρωμα. Αυτή η δύναμη ασκείται από τον αέρα και τα διάφορα μηχανικά μέρη του μονοθεσίου, αλλά και από τις ρυθμίσεις αυτών. Όσο περισσότερη κάθετη δύναμη παράγεται, τόσο πιο “κολλημένο” παραμένει το μονοθέσιο στο οδόστρωμα.
Τα υπέρ της κάθετης δύναμης
Όπως γίνεται εύκολα αντιληπτό, όσο πιο “κολλημένο” είναι το μονοθέσιο στο οδόστρωμα, τόσο καλύτερη πρόσφυση έχουν τα ελαστικά, με ότι συνεπάγεται αυτό για το μονοθέσιο (ομοιόμορφη κατανομή της θερμοκρασίας, ταχύτερες ανταποκρίσεις στις εντολές του πιλότου με το τιμόνι κλπ). Το δεύτερο και σημαντικότερο που προσφέρει η κάθετη δύναμη είναι η δυνατότητα που δίνει στον πιλότο να διέρχεται με όσο το δυνατόν μεγαλύτερη ταχύτητα από τις στροφές. Ένα μονοθέσιο με υψηλή παραγόμενη κάθετη δύναμη μπορεί να διέρχεται ταχύτερα από μία στροφή απ’ότι ένα με χαμηλή παραγόμενη κάθετη δύναμη. Ένα ακόμα πλεονέκτημα που προσφέρει η κάθετη δύναμη είναι πως επιτρέπει στον πιλότο να αναπτύσει μεγάλες ταχύτητες στις στροφές, χωρίς να καταπονεί τα ελαστικά του όσο ένας πιλότος του οποίου το μονοθέσιο δεν παράγει ίση ή μεγαλύτερη ποσότητα κάθετης δύναμης. Τέλος, η αυξημένη κάθετη δύναμη επιτρέπει στο μονοθέσιο να φρενάρει συντομότερα, λόγω και του αυξημένου παραγόμενου drag.
Τα πλην της κάθετης δύναμης
Το μεγαλύτερο μειονέκτημα που παρατηρείται σε ένα μονοθέσιο με υψηλή κάθετη δύναμη είναι η χαμηλές ταχύτητες στις ευθείες. Αυτό σημαίνει πως δύο μονοθέσια με ίδιας απόδοσης κινητήρια μονάδα, αλλά με διαφορετική παραγόμενη κάθετη δύναμη, δεν φτάνουν την ίδια τελική ταχύτητα στις ευθείες. Κοινώς, όσο μεγαλύτερη η κάθετη δύναμη, τόσο μικρότερη η ταχύτητα στις ευθείες και το αντίστροφο. Γιατί συμβαίνει, όμως, αυτό; Η απάντηση είναι το…
Drag/aerodynamic drag (οπισθέλκουσα/αεροδυναμική αντίσταση)
Το “αποπροϊόν” της υψηλής κάθετης δύναμης είναι το drag, εις την ελληνικήν, οπισθέλκουσα ή αεροδυναμική αντίσταση. H οπισθέλκουσα είναι και ο λόγος που τα μονοθέσια με υψηλή κάθετη δύναμη υστερούν σε σχέση με μονοθέσια χαμηλής κάθετης δύναμης. Το σχόλιο “το μονοθέσιο δεν είναι καλά στημένο αεροδυναμικά” σημαίνει πως το μονοθέσιο παράγει περισσότερη οπισθέλκουσα από όση θα έπρεπε. Αυτό συμβαίνει είτε λόγω εσφαλμένων ρυθμίσεων, είτε λόγω βάρους, όπως η Williams του 2019 που ήταν ένα ‘υπέρβαρο’ μονοθέσιο, είτε λόγω ατελειών στο πλαίσιο του μονοθεσίου, όπως η Ferrari του 2020.
Οι κυριότερες ρυθμίσεις – μηχανικά μέρη ενός μονοθεσίου που είναι υπεύθυνα για την κάθετη δύναμη και την οπισθέλκουσα είναι οι: front/rear wing, ride height, diffuser.
Front/Rear wings (εμπρός/πίσω αεροτομές)
Μεγάλο μέρος της κάθετης δύναμης σε ένα μονοθέσιο έρχεται από τα εμπρός και πίσω φτερά (τις δύο αεροτομές του μονοθεσίου). Οι μηχανικοί ρυθμίζοντας την γωνεία με την οποία προσπίπτει ο αέρας στις αεροτομές του μονοθεσίου, καθορίζουν και το πόση κάθετη δύναμη θα παράγεται. Ωστόσο, υψηλή ρύθμιση στα φτερά έχει ως αποτέλεσμα να παράγεται υψηλή οπισθέλκουσα με αποτέλεσμα το μονοθέσιο να είναι εμφανώς αργό στις ευθείες.
Front wing (εμπρός αεροτομή)
Η εμπρός αεροτομή είναι αποκλειστικά υπεύθυνη για το εμπρός μέρος του μονοθεσίου. Υψηλή ρύθμιση στην γωνία πρόσπτωσης του αέρα σημαίνει πως το μονοθέσιο θα έχει αρκετά καλή πρόσφυση στα εμπρός ελαστικά, αυξημένη ανταπόκριση και μείωση της απώλειας πρόσφυσης ενώ το μονοθέσιο στρίβει. Εκτιμάται πως το 25-40% της κάθετης δύναμης του μονοθεσίου παράγεται από την εμπρός αεροτομή. Ο μεγαλύτερος πονοκέφαλος για τους μηχανικούς είναι στην κατασκευή. Κι αυτό επειδή η εμπρός αεροτομή είναι υπεύθυνη για το πως θα κατανεμηθεί ο αέρας στο υπόλοιπο μονοθέσιο. Οι παραγόμενοι στρόβιλοι (vortices) είναι και αυτοί που θα καταλήξουν στα υπόλοιπα αεροδυναμικά μέρη του μονοθεσίου, με αποτέλεσμα η αποδοτική κατασκευή του εμπρός φτερού να είναι μείζονος σημασίας. Ένα όχι σωστά κατασκευασμένο φτερό θα καταστήσει το μονοθέσιο αεροδυναμικά μη αποδοτικό (aerodynamic inefficiency), καθώς θα απαιτούνται ακραίες ρυθμίσεις για την αντιστάθμιση του παραπάνω.
Τέλος, πρέπει να σημειωθεί πως μειωμένη παραγόμενη κάθετη δύναμη εμπρός, λόγω χαμηλής ρύθμισης στην γωνία, μπορούν να καταστίσουν το μονοθέσιο υποστροφικό (understeer), λόγω μειωμένης πρόσφυσης, ενώ το αντίθετο, μπορεί να προκαλέσει υπερστροφή (oversteer) σε περίπτωση που υπερκεραστεί η παραγόμενη κάθετη δύναμη του πίσω φτερού.
Rear wing (πίσω αεροτομή)
Η πίσω αεροτομή είναι υπεύθυνη για το μεγαλύτερο μέρος του παραγόμενου drag καθώς και για την κάθετη δύναμη στο πίσω μέρος του μονοθεσίου. Η πρόσφυση των πίσω ελαστικών επαφίεται και στην ρύθμιση του πίσω φτερού. Ένα μονοθέσιο με υψηλή ρύθμιση στην γωνία της πίσω αεροτομής θα έχει καλύτερη πρόσφυση στα πίσω ελαστικά, σταθερότητα και ανταποκρισιμότητα. Ωστόσο, αυτό θα παράξει και υψηλή ποσότητα οπισθέλκουσας. Όπως προαναφέρθηκε, η υψηλή οπισθέλκουσα καθιστά το μονοθέσιο αργό στις ευθείες. Ένα μονοθέσιο με χαμηλή παραγόμενη κάθετη δύναμη στο πίσω μέρος, λόγω ρυθμίσεων του φτερού, κινδυνεύει από αστάθεια, υπερστροφή, έλλειψη πρόσφυσης και πολλές φορές αδυναμία σωστής κατανομής της θερμότητας στα ελαστικά. Σε πίστες με μεγάλες ευθείες, όπου ρυθμίσεις για χαμηλή κάθετη δύναμη είναι επιβεβλημένες, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η παραγόμενη οπισθέλκουσα, αρκετοί πιλότοι συχνά κάνουν περιδήνηση (spin), λόγω μειωμένης πρόσφυσης στα πίσω ελαστικά.
Ride height (στάθμη ύψους)
Η στάθμη ύψους είναι η διαφορά ανάμεσα στο πάτωμα του μονοθεσίου και το οδόστρωμα. Η στάθμη ύψους έχει άμεσο αντίκτυπο στην πρόσφυση, την ανταπόκριση στην επιτάχυνση και την πέδηση, καθώς και την ικανότητα του μονοθεσίου να στρίβει. Γενικά, η στάθμη ύψους αφορά την μετατόπιση του κέντρου βάρους του μονοθεσίου.
Υπάρχουν αρκετοί καλοί λόγοι για να μειώσει μία ομάδα το ride height. Γενικά, μειώνοντας την στάθμη ύψους το κέντρο βάρους χαμηλώνει, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η ανταπόκρισή του, αφού περιορίζεται η μετακύληση του βάρους. Επίσης αυξάνεται η παραγόμενη κάθετη δύναμη. Η άυξηση της στάθμης ύψους θα έχει τα αντίθετα αποτελέσματα, αφού πλέον το βάρος μετακυλίεται πιο εύκολα.
Ωστόσο, μειώνοντας υπερβολικά την στάθμη ύψους θα προκληθεί το λεγόμενο ‘bottom-out’ (κοινώς, το μονοθέσιο θα ‘πιάσει πάτο’). Αυτό θα έχει ως αποτέλεσμα την αισθητή μείωση της παραγόμενης κάθετης δύναμης, όμως θα αυξήσει την τελική ταχύτητα στις ευθείες. Οι φίλαθλοι μπορούμε να καταλάβουμε το bottom-out, καθώς όταν υφίσταται η συγκεκριμένη ρύθμιση, το μονοθέσιο πετάει πολλές σπίθες.
Η στάθμη ύψους υφίσταται, ως επί το πλείστον, τις τρείς συγκεκριμένες ρυθμίσεις: υψηλή στάθμη ύψους μπροστά – χαμηλή στάθμη ύψους πίσω, χαμηλή στάθμη ύψους μπροστά – υψηλή στάθμη ύψους πίσω, ουδέτερη μπροστά – ουδέτερη πίσω.
Υψηλή στάθμη ύψους μπροστά – Χαμηλή στάθμη ύψους πίσω [negative rake (αρνητική κλίση)]
Με αυτήν την ρύθμιση, το κέντρο βάρους του μονοθεσίου μετατοπίζεται προς τα πίσω. Αυτό παρέχει στο μονοθέσιο άμεση ανταπόκριση στο γκάζι κατά την διάρκεια της επιτάχυνσης. Αυτό ωφελεί κυρίως στις εκκινήσεις. Ωστόσο, η ανταπόκριση στο φρενάρισμα θα είναι αισθητά μειωμένη. Και επειδή οι αγώνες της F1 δεν είναι αγώνες μισού χιλιομέτρου ευθείας, η ρύθμιση αυτή δεν χρησιμοποιείται σχεδόν ποτέ. Σημειώνεται πως η συγκεκριμένη ρύθμιση αυξάνει και την τάση του μονοθεσίου να ‘ανασηκωθεί’. Αυτό σε ακραίες περιπτώσεις μπορεί να προκαλέσει στο μονοθέσιο να χάσει την επαφή με το οδόστρωμα και να ‘πετάξει’.
Χαμηλή στάθμη ύψους μπροστά – Υψηλή στάθμη ύψους πίσω [positive rake (θετική κλίση)]
Με αυτήν την ρύθμιση, το κέντρο βάρους του μονοθεσίου μετατοπίζεται προς τα εμπρός. Αυτό παρέχει στο μονοθέσιο περισσότερη σταθερότητα κατά την διάρκεια της επιτάχυνσης, όπως επίσης και καλύτερη ανταπόκριση στην πέδηση. Επίσης, η παραγόμενη κάθετη δύναμη αυξάνεται, καθώς με την ρύθμιση αυτή, το κάτω μέρος του μονοθεσίου λειτουργεί σαν τεράστιος διαχύτης. Στον αντίποδα, η συγκεκριμένη ρύθμιση μπορεί να αυξήσει δραματικά την οπισθέλκουσα, με ότι αυτό συνεπάγεται.
Ουδέτερη στάθμη ύψους μπροστά – Ουδέτερη στάθμη ύψους πίσω
Η συγκεκριμένη ρύθμιση δεν συναντάται συχνά καθώς δεν προσφέρει πολλά πράγματα στο μονοθέσιο. Το κέντρο βάρους βρίσκεται στο κέντρο του μονοθεσίου. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα όλα τα προαναφερθέντα να είναι πλέον στην ευθύνη άλλων ρυθμίσεων. Τέτοιες ρυθμίσεις είναι τα tyre camber, toe in/out, καθώς και άλλες ρυθμίσεις της ανάρτησης.
Η στάθμη ύψους και το rake angle (high/low rake)
Γενικά, μπορούμε να πούμε πως οι ακραίες ρυθμίσεις στην στάθμη ύψους προκαλούν προβλήματα στο μονοθέσιο.
Η υπερβολικά χαμηλή ρύθμιση της στάθμης ύψους θα δημιουργήσει προβλήματα στην ανάρτηση. Το ζητούμενο είναι να επιτευχθεί όσο το δυνατόν χαμηλότερη ρύθμιση, για αύξηση της πρόσφυσης και της κάθετης δύναμης, όπως και της συνολικής ισορροπίας στον χειρισμό, χωρίς να επιτραπεί στην ανάρτηση να μετατοπίζεται ελεύθερα. Κατά τους βροχερούς αγώνες, η στάθμη ύψους ρυθμίζεται πιο ψηλά, ώστε να διέρχεται το νερό κάτω από το μονοθέσιο, δίχως αυτό να “κολυμπάει” και να υδρολισθαίνει (acquaplaning). Σε πίστες όπως το Μονακό, η στάθμη ύψους επίσης αυξάνεται, ώστε να απορροφώνται οι κραδασμοί από τις λακούβες ή τα kerbs.
Η διαφορά στην ρύθμιση της στάθμης ύψους μεταξύ εμπρός και πίσω στάθμης ύψους ονομάζεται rake angle και χωρίζεται σε high rake και low rake. Υπενθυμίζεται πως όταν η εμπρός στάθμη ύψους είναι ρυθμισμένη ψηλότερα από την πίσω, αυτό ονομάζεται και negative rake (αρνητική κλίση). Ενώ, όταν η πίσω είναι ρυθμισμένη ψηλότερα από την εμπρός, αυτό ονομάζεται positive rake (θετική κλίση). Η αρνητική κλίση δεν χρησιμοποιείται σχεδόν ποτέ σε μονοθέσια της F1.
Ηigh rake angle (υψηλή γωνία κλίσης)
Όπως προαναφέρθηκε, τα μονοθέσια συνήθως ρυθμίζονται με χαμηλή στάθμη ύψους μπροστά και υψηλή πίσω. Όταν η πίσω έχει αρκετά μεγάλη διαφορά από την μπροστά, τότε το μονοθέσιο έχει υψηλή γωνία κλίσης. Κάτι τέτοιο συναντάται στα μονοθέσια της Red Bull, με την ευγενική χορηγία του, καθολικά αναγνωρισμένου ως κορυφαίος μηχανικός, Adrian Newey. Αυτή η ρύθμιση μεγιστοποιεί την παραγόμενη κάθετη δύναμη, με αποτέλεσμα το μονοθέσιο να είναι ιδιαίτερα ανταγωνιστικό και ταχές στις στροφές. Ως μειονέκτημα, θα μπορούσαμε να αναφέρουμε την αυξημένη οπισθέλκουσα καθώς και μικρότερη ανταπόκριση στην επιτάχυνση. Πρέπει να αναφερθεί επίσης, πως η συγκεκριμένη ρύθμιση είναι αρκετά ευαίσθητη. Αυτό σημαίνει πως μικρές αλλαγές επιφέρουν σημαντικά αποτελέσματα στην συμπεριφορά του μονοθεσίου. Αν, δηλαδή, κάτι δεν λειτουργεί όπως θα ήθελε η ομάδα, μικρές αλλαγές στην ρύθμιση μπορούν να επιφέρουν το χάος.
Προσωπικά, εκτιμώ πως αυτός είναι και ένας λόγος που το μονοθέσιο της Red Bbull είναι αρκετά δύστροπο ανά τα χρόνια με λίγους οδηγούς να μπορούν να το ‘κουμαντάρουν’.
Low rake angle (χαμηλή γωνία κλίσης)
Η συγκεκριμένη ρύθμιση συναντάται κατά κόρον στα μονοθέσια. Χαρακτηρίζεται από ισορροπία ανάμεσα σε παραγόμενη κάθετη δύναμη και οπισθέλκουσα. Ωστόσο, όσο πιο ‘low’ τόσο πιο πολύ μειώνεται και η αποδοτικότητα του αέρα που φτάνει στον διαχύτη.
Diffuser (διαχύτης)
Ο διαχύτης είναι το μέρος του μονοθεσίου ανάμεσα στους δύο τροχούς, κάτω από την πίσω αεροτομή. Στον διαχύτη αποδίδεται μεγάλο μέρος της παραγόμενης κάθετης δύναμης. Ο διαχύτης λειτουργεί με βάση την αρχή του φαινομένου Βεντούρι (Venturi Effect). Εν περιλήψει, το συγκεκριμένο φαινόμενο λέει πως όσο επιταχύνεται ένα ρευστό, τόσο μειώνεται η πίεσή του, όπως περιγράφει και η εξίσωση του Bernoulli. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της αυξομείωσης του χώρου από όπου διέρχεται ο αέρας.
Ο διαχύτης είναι το μέρος από το οποίο ο αέρας κάτω από το μονοθέσιο εξέρχεται. Μέσω της επιταχυνόμενης κίνησης του αέρα κάτω από το μονοθέσιο και την έξοδό του από τον “ευρύχωρο” διαχύτη, δημιουργείται διαφορά στην πίεση μεταξύ πατώματος μονοθεσίου και διαχύτη. Η πίεση κάτω από τον διαχύτη είναι εξαιρετικά χαμηλή, σύμφωνα και με το φαινόμενο Venturi. Έτσι παράγονται τεράστια ποσά κάθετης δύναμης, με αποτέλεσμα το μονοθέσιο να ‘ρουφιέται’ στο έδαφος. Η διαφορά στην πίεση και η αποδοτικότητα του όλου συστήματος καθορίζονται από την κλίση του διαχύτη και της στάθμης ύψους. Ακραίες ρυθμίσεις θα έχουν τα αντίθετα αποτελέσματα, καθιστώντας τον διαχύτη πρακτικά άχρηστο και μη αποδοτικό.
Προφανώς, η φυσική που υπάρχει πίσω από τον διαχύτη είναι εξαιρετικά πιο περίπλοκη και σίγουρα αδύνατον να αναλυθεί επαρκώς σε μερικές γραμμές. Μπορούμε, ωστόσο, να καταστίσουμε σαφές πως ο διαχύτης είναι το κομμάτι-κλειδί του μονοθεσίου χάρη στο οποίο το μονοθέσιο παραμένει “βιδωμένο” στο οδόστρωμα.
Ανά τα χρόνια έχουμε δει διάφορες καινοτόμες ιδέες σχετικά με τους διαχύτες, όπως ο ‘blown’ diffuser της Red Bull και ο ‘double diffuser’ (διπλός διαχύτης) της Brawn το 2009.
Double diffuser (διπλός διαχύτης)
Το 2009, 3 ομάδες ερμήνευσαν τους κανονισμούς λίγο διαφορετικά από τις υπόλοιπες. Έτσι, σύστησαν τον κόσμο της F1 στον ‘διπλό διαχύτη’. Ο διπλός διαχύτης ήταν μία μηχανική καινοτομία που έφερε σε μία πρωτάρα ομάδα το ένα και μοναδικό της double. Φυσικά, τα νομικά και το παρασκήνιο της υπόθεσης είναι άλλου είδους κουβέντα.
Οι τρεις ομάδες εκμεταλλεύτηκαν τους κανονισμούς και τα επιπλέον 150mm μονοθεσίου στα οποία μπορούσαν να δουλέψουν, στο κέντρο του πίσω μέρους του μονοθεσίου, μετασχηματίζοντας το crash structure (κατασκευή για συγκρούσεις σε ελεύθερη μετάφραση), ώστε να αυξάνει το ύψος και να επιμηκύνει τον κεντρικό τομέα του διαχύτη, όπου βρίσκεται και ένας χαμηλός διαχωριστής (splitter) ως βάση. Λόγω αυτού του ‘έξτρα’ μέρους του διαχύτη, η συγκεκριμένη κατασκευή ονομάστηκε “double decker” (διώροφος), ή “double deck diffuser”.
Το αποτέλεσμα ήταν τα αυξημένα επίπεδα παραγόμενης κάθετης δύναμης, χωρίς την αύξηση της οπισθέλκουσας. Με λίγα λόγια, η αποδοτικότητα του διαχύτη αυξήθηκε κατακόρυφα.
Διαβάστε για το θαύμα της Brawn GP το 2009 δια χειρός Γιώργου Τσιάκαλου εδώ.
Συμπερασματικά
Όπως κάθε άλλος τομέας έρευνας των μονοθεσίων, έτσι και η κάθετη δύναμη αποτελεί αναπόσπαστο και βαρυσήμαντο μέρος της δουλειάς των μηχανικών. Η ορθή κατανόηση των κανονισμών, οι συμβιβασμοί μεταξύ κάθετης δύναμης και οπισθέλκουσας, αλλά και οι φιλικές για το μονοθέσιο ρυθμίσεις, αποτελούν καθημερινό στόχο για τις ομάδες, ώστε να εμφανιστούν όσο το δυνατόν καλύτερα προετοιμασμένες τον Μάρτιο στην Μελβούρνη.
Για τον μέσο φίλαθλο, η δουλειά των μηχανικών, καλή ή κακή, φαίνεται μόνο στην πίστα. Ωστόσο η ορθή κατανόηση της προσπάθειας και της γνώσης που υπάρχει πίσω από το αποτέλεσμα που βλέπουμε τις Κυριακές, μας βοηθά στην καλύτερη κατανόηση του αθλήματος, αλλά και στην εκτίμηση της δουλειάς των εκατοντάδων εργαζομένων στα εργοστάσια και τα pits.
Διαβάστε όλα τα νέα της Formula 1 εδώ, ενώ πλέον μπορείτε να μας βρείτε στο Instagram, YouTube και Twitter.