Aerodinamika

Aerodinamika je postala ključ uspjeha u ovom sportu i momčadi troše desetke milijuna dolara na istraživanje i razvoj aerodinamike svake godine. Aerodinamika se razvija u zračnim tunelima.

Aerodinamičar ima dva osnovna zadatka: stvoriti downforce, silu koja pritišće bolid Formule 1 prema dolje te tako povećava prianjanje gume o podlogu i omogućava brže prolaske kroz zavoje, te mora smanjiti otpor zraka.

Kasnih 60-ih nekoliko momčadi je počelo eksperimentirati s takozvanim spojlerima. Spojleri na trkaćim automobilima funkcioniraju na isti način kao i krila zrakoplova, samo suprotno. Zrakoplov koristi strujanje zraka da ga podiže gore, a bolid F1 koristi da ga pritišće prema dolje. Moderni bolid formule 1 može proizvesti silu koja je tri i pol puta veća od težine bolida. To bi značilo da bi teoretski pri velikim brzinama bolid mogao voziti i okrenut naopako.

Rani pokusi sa pomičnim krilcima su doveli do spektakularnih nesreća tako da se u sezoni 1970. ograničila veličina i mjesto postavke krilca.

Do sredine 1970. godine otkrio se 'ground effect', downforce. Lotusovi tehničari su otkrili da bi se cijeli bolid mogao ponašati kao jedno veliko krilo i tako bi bio pričvršćen uz tlo. Krajnost je bila kreacija Gordona Murraya koji je postavio ventilator na bolid koji je stvarao ogroman downforce. To je već nakon jedne utrke bilo zabranjeno, te je ubrzo i pravilima određeno koliko bolid može proizvoditi donwforcea.

Glavno pravilo aerodinamike u Formuli 1 je: stvoriti što više downforcea uz što manji otpor zraka. Primarna krilca, ono prednje i stražnje su različitih profila što ovisi o aerodinamičnim zahtjevima pojedine staze. Uske i spore staze kao što je Monaco zahtijevaju vrlo agresivni profil krilaca pa tako možete vidjeti dvije ili tri letvice na stražnjem krilcu. Na brzim stazama kao što je Monza možemo vidjeti ogoljena krilca koja omogućavaju velike brzine na ravnim dijelovima staze i što manji otpor zraka.

Svaka površina na današnjim bolidima krenuvši od oblika nosača ovjesa pa do vozačeve kacige imaju uračunat aerodinamični efekt. Zrak koji struji u neskladu sa cijelim bolidom stvara turbulencije koje usporavaju bolid. Ipak dizajneri moraju voditi računa da određena količina zraka dođe do motora i hladi ga jer on proizvodi ogromne količine topline.

U zadnje vrijeme momčadi Formule 1 kopiraju Ferrarijev dizajn gdje se zadnji kraj bolida što naglije spušta i radi se što niže u svrhu smanjenja otpora zraka i povećavanja količine zraka koji struji kroz stražnje krilce. Takozvani barge boards su smješteni sa strane bolida oblikujući zračne struje oko bolida da bi se maksimalno smanjile turbulencije.

Kočnice

Kad se radi o kočenju, bolidi su iznenađujuće usko povezani sa običnim prometalima. A otkad je ABS zabranjen, moderni automobili mogu tvrditi da imaju pametnije, tj. naprednije usporavanje.

Pravilo kočenja je jednostavno: usporiti objekt otklanjajući kinetičku energiju. Bolidi imaju disk kočnice kao i većina cestovnih automobila. Disk pritišću kliješta pomoću hidraulike i pri tom oslobađaju veliku količinu topline i svjetlosti što možemo primijetiti u utrci kad diskovi požute prije zavoja.

Kao što se previše snage oslobađa preko kotača što uzrokuje njegovu vrtnju u mjestu, tako i prejako kočenje dovodi do blokiranja kotača što će pak dovesti do proklizavanja i gubitka gripa (prianjanja gume o podlogu). Kako je ABS zabranjen, kočenje ostaje test vještine vozača Formule 1.

Tehnička pravila zahtijevaju da svaki bolid ima dvostruki hidraulički kočnički sustav sa dva odvojena rezervoara posebno za prednje i stražnje kotače. Ovo omogućuje da u slučaju zakazivanja jednog sustava, kočenje bi još trebalo biti moguće pomoću drugog sustava. Količina kočione sile kojom će kočiti prednji ili stražnji kočioni sustav može se podešavati iz kokpita dajući vozaču mogućnost da poboljša stabilnost bolida kroz zavoj. U normalnim okolnostima oko 60 % kočione sile ide na prednju osovinu jer se teret pri usporavanju kreće prema naprijed.

U jednom području kočnice bolida su dramatično bolje nego kod normalnih cestovnih automobila, a to su materijali od kojih su građene same kočnice. Svi bolidi danas koriste ugljična vlakna za izradu diskova kočnica. Ugljična vlakna su lakša i mogu podnijeti veće temperature nego čelični diskovi. Diskovi su teški oko kilogram i pol.

Kočnice bolida Formule 1 su izrazito efikasne. U kombinaciji sa današnjim modernim gumama zaustavni put se značajno smanjio. Da bi se zaustavio sa brzine od 100 km/h bolidu treba oko 17 metara. Zaustavni putovi su toliko kratki da FIA čak razmišlja produljiti zaustavne putove u svrhu više pretjecanja na stazi. To bi učinili na način da bi zabranili određene materijale i dizajn samih kočničkih sustava.

Kokpit

U srcu modernog F1 bolida leži iznimno jaka monokok struktura. Monokok spaja kokpit i vozačevu 'ćeliju' za preživljavanje, ali monokok, također, tvori osnovni dio šasije bolida sa motorom i prednjim ovjesom koji je direktno spojen na šasiju. U obje uloge – kao osnovna strukturna komponenta i sigurnosni uređaj – treba biti što je moguće jači i čvršći.

Kao i ostatak bolida, monokok je izrađen od karbonskih vlakana. Konstruiranje monokoka je jedan od najzahtjevnijih zadataka koje se stavljaju pred momčadi Formule 1. Činjenica da je toliko vozača preživjelo velike nesreće dokaz je snage i čvrstoće monokoka. Razlog je velika briga momčadi za sigurnost kao konstantno razvijanje tehničkih pravila od strane FIA-e koja zahtjeva visoke sigurnosne standarde.

Temeljno je pravilo da vozač u slučaju nesreće treba što prije izaći iz bolida, najdulje pet sekundi prema pravilima, a da ne treba ništa ukloniti osim upravljača. Također vozač bi trebao u dodatnih pet sekundi vratiti natrag upravljač da bi se bolid mogao ukloniti ukoliko je na nekom nezgodnom mjestu na stazi. Zaštitna područja su prednja i stražnja strana monokoka kao i roll bar iza vozačeve glave koja štiti upravo glavu. U zadnje vrijeme se pokušava povećati zaštita glave. Glava je najnezaštićenija i prijeti joj opasnost dolijetanja raznih dijelova sa bolida, posebice guma. Bočne strane monokoka trebaju biti što više te i one trebaju štiti vozačevu glavu.

Slično kao i normalni automobili tako i bolidi trebaju proći nekoliko crash testova prije nego se mogu koristiti na utrkama. Crash test se izvodi pomoću lutke teške 75 kilograma koja se postavi u bolid. Sam bolid se zalijeće u čvrsti objekt brzinom od 50 km/h. Tom prilikom se mjere sile koje djeluju na lutku. Relativno mala brzina od 50 km/h je izabrana da bi se što preciznije izmjerila mogućnost bolida da apsorbira energiju pri udaru. Testiraju se prednji, stražnji i bočni udarci.

Motor i mjenjač

Motor i mjenjač bolida F1 su jedan od najopterećenijih dijelova na svijetu uopće. Natjecanje tko će imati najsnažniji bolid na stazi je još uvijek intenzivno. Razvitak motora se uvijek držao rečenice Ferdinanda Porschea da 'savršeni trkaći auto prolazi ciljem prvi i onda se raspadne na dijelove.' Konstruiranje ovakvih motora je uvijek kompromis između snage motora i njegove izdržljivosti.

Snaga motora današnjih bolida demonstrira dokle je automobilski sport došao. Pedesetih godina prošlog stoljeća F1 bolidi su imali stotinu konjskih snaga po litri obujma (otprilike koliko današnji sportski cestovni automobili imaju). To se zadržalo do dolaska turbo ere 1.5 litrenih motora od kojih su neki proizvodili 750 KS po litri obujma, što će reći da je bolid pokretalo 1 100 KS! Ubrzo se ukidaju turbo motori i snaga drastično pada. Kako je vrijeme prolazilo snaga se počinje opet dizati idući prema granici od 1 000 konjskih snaga. Neke momčadi danas imaju motore koji su snažni i 300 KS po litri obujma, a dajmo na znanje da današnji motori imaju tri litre obujma.

Vrteći se preko 18 000 okretaja u minuti moderni F1 motor će konzumirati nevjerojatnih 650 litara zraka svake sekunde i 75 litara goriva svakih 100 kilometara. Uzevši sve ovo u obzir nije ni čudo što je motor najčešći uzrok odustajanja. Primjerice BMW-ov motor za 2003 godinu ima manje od 90 kg, vrti se do maksimalnih 19 200 okretaja u minuti, sastavljen je od otprilike 5 000 dijelova, te oslobađa temperature i do 950 °C. Motor proizvodi zvuk jačine 160 decibela što je više od Boeinga 747 tokom uzlijetanja.  

Motor treba biti što jači, laganiji, kompaktniji i postavljen što niže da bi se dobilo što niže težište i da bi zadnji kraj bio što niži i aerodinamičniji.

Mjenjač Formule 1 je poluautomatski što u prijevodu znači da vozač mijenja brzine (iza upravljača pomoću polugica) dok ubrzava, a elektronika to čini dok usporava. Mjenjač je sekvencijalni i to je bolje rješenje nego klasični 'H' mjenjač kakav nalazimo u cestovnim automobilima, jer se brže mijenjaju stupnjevi prijenosa. Spojka je kontrolirana pomoću elektronike u sklopu 'launch controla'. Traction control u suradnji sa mjenjačem i spojkom omogućava da se uvijek najveća količina snage prenese na asfalt, a da se kotači ne vrte u prazno. Nakon nekoliko godina šesterostupanjskih mjenjača danas bolidi imaju sedam stupnjeva prijenosa.

Kako su današnji motori jako skupi FIA radi na novom pravilu koje bi produžilo vijek trajanja motora na više od jednog Grand Prix vikenda.

Ovjes

Osnovni zadatak ovjesa je da smiri bolid pri prijelazu preko grba i rubnika. Bolid ne smije previše odskakati. Zbog toga udobnost nije na prvom mjestu. Godine 1990. zabranjeni su aktivni ovjesi i uvedeno je pravilo da elektronika ne smije imati prste u ovjesu. Dijelovi ovjesa su izgrađeni također od karbonskih vlakana zbog težine i čvrstoće.

Ovjes današnjih bolida se može precizno namještati. Konačni setup za pojedinu stazu ovisi o vremenskim prilikama (ako je kiša ovjes će biti znatno mekaniji) i iskustvima iz prošlih godina. Vozač također može zatražiti setup ovjesa koji njemu odgovara, ovjes se namješta u skladu s performansama guma, aerodinamičnim zahtjevima pojedinih staza.

Traction control

Što je traction control? Traction control omogućava dostavljanje maksimalne količine snage na podlogu. Znamo da su bolidi iznimno snažni, znamo da gume pružaju veliki grip, znamo koliki je udjel aerodinamike i uza sve to kotači se još uvijek mogu zavrtjeti u prazno što neosporivo usporava bolid. Uz to što usporava bolid, troše se i gume, samim time i slabe njihove mogućnosti.

Današnje gume mogu pružiti određenu količinu gripa. Guma mora držati prilikom ubrzavanja i kočenja, ali također guma mora držati i bočno prilikom vožnje kroz zavoje. Procjena vozača gdje je granica tih mogućnosti guma je jedan od najtežih zadataka. Ako vozač ide preko granice posljedica će biti izlijetanje, ako pak bude išao osjetnije ispod granice ići će presporo. Ovdje se vidi značenje traction controla u vidu pomaganja vozaču jer će traction control omogućiti vožnju na granici mogućnosti guma. Neki kažu da više nije bitna vještina vozača. Ipak ne svodi se sve na prolaske kroz zavoje uz pun gas jer će se to osjetiti na gumama. Nepažljivija vožnja bez osjećaja za potrošnju guma dovest će do gubitka gripa i češćim odlascima u boks.

Traction control nije nov sustav na bolidima. Pojavljivao se od 1980., a 1992. Williams Renault FW14-B koji je odveo Nigela Mansella do titule prvaka bio je opremljen i aktivnim ovjesom. Nakon dugog razdoblja zabrane TC-a sustav je opet dopušten 2002. godine, jer je bilo iznimno teško dokazati prisustvo TC-a. Ferrari je bio optužen sezonu 2002. za korištenje TC-a. Navodno su imali program za TC koji bi se automatski brisao nakon utrke.

Današnji način rada TC-a je sljedeći: elektronski senzori očitavaju brzinu vrtnje kotača i brzinu staze (misli se na brzinu u odnosu na bolid). Ako se kotači vrte brže nego staza sustav će smanjiti snagu motora da bi zaustavio proklizavanje. TC je također usko povezan i sa launch controlom. U suradnji sa elektronski upravljanom mjenjačkom kutijom launch control omogućava optimalni start bez proklizavanja guma.

Gume

Moderni bolid F1 je tehnološko remekdjelo. Bez obzira na razvoj aerodinamike i motora, gume su još uvijek najveća pojedinačna varijabla performansi. Prosječni automobil može vrlo dobro voziti sa odličnim gumama, a sa lošim ni najbolji auto nema šanse. Unatoč nekim sličnostima trkaće i cestovne gume su tek daleki rođaci. Cestovne gume su građene da traju, obično oko 16 000 km, gume za bolid F1 su napravljene da traju oko 200 km i kao sve ostalo na bolidu da budu što lakše i jače. 

Trkaće gume su načinjene od jako mekane smjese guma koje nude najveći mogući grip, ali se zato i brže troše. Ako pogledamo prosječnu stazu za vrijeme utrke izvan idealne linije kretanja bolida možemo primijetiti komadiće i otpatke guma. Gume na bolidima Formule 1 imaju radnu temperaturu između 90°C i 110°C. Pri tim temperaturama najbolje funkcioniraju. Zato prije starta možete vidjeti grijače koji stoje oko gume, a skidaju se neposredno prije kretanja bolida. Da bi tlak u gumama ostao što konstantniji pri izmjenama temperatura gume se ne pune zrakom već posebno izmiješanim i određenim plinovima.

Razvoj guma počinje šezdesetih godina pojavom slikova (gume koje nemaju nikakve utore na sebi). Gumari i momčadi su došli do otkrića da se slik gumama povećava gazna površina što vodi do boljeg kontakta s podlogom. Kišne gume ipak moraju imati utore da bi  mogle izbacivati vodu između gume i podloge. Bolidi su se vozili na slikovima sve do 1998. godine kad ih je FIA zabranila u korist manjih brzina koje bi dovele do mogućnosti pretjecanja. Tako danas imamo profilirane gume. Pravilo zahtjeva da sve gume moraju imati četiri profila ili utora koji moraju biti duboki najmanje 2.5 mm, a razmak između njih treba biti 50 mm.

Odabir mekše ili tvrđe smjese guma ovisi o karakteristikama pojedine staze. Ponuđene su dvije smjese guma na odabir momčadi i odaberu li mekšu ili tvrđu moraju cijeli vikend, uključujući i utrku, odvoziti na tim gumama. Mekoća smjese ovisi o omjeru komponenata koje se dodaju smjesi. Najosnovnije  tri smjese su ugljik, sumpor i ulje. Pri tom vrijedi: više ulja – mekša guma.

Intermediate i kišne gume imaju, kako smo već rekli, više utora koji su napravljeni da bi izbacivali vodu kad se vozi po kiši. Nešto najgore što se može dogoditi vozaču je akvaplaning, situacija kada guma više ne izbacuje vodu dovoljno brzo te se stvara sloj vode između gume i podloge što uzrokuje da bolid zapliva. Guma gubi grip i moguće je izlijetanje. Zato su utori na gumi matematički dizajnirani da bi izbacili najveću moguću količinu vode i omogućili najbolji kontakt s asfaltom.