Dynamika a rychlost Formule 1: Snadná akcelerace

Dynamické schopnosti automobilu jsou obvykle charakterizovány dvěma ukazateli: dobou zrychlení do určité rychlosti z klidu a maximální rychlostí. Každý například ví, že „desítka“ VAZ zrychlí na 100 km/h za 14 sekund a má maximální rychlost 165 km/h. Jaké jsou dynamické vlastnosti „vzorců“ a jak se určují? Motor, převodovka, aerodynamické prvky a pneumatiky jsou zodpovědné za dynamiku zrychlení vozu formule 1. Podívejme se, jaký je dopad každé z těchto složek na schopnost „vzorců“ zrychlit rychlostí blesku.

Přenos
Obvykle při studiu dynamiky zrychlení automobilu inženýři používají speciální graf – rychlostní charakteristiku. Na první rychlostní stupeň se na kola přenáší maximální síla, ale rychlost vozidla v něm nepřesahuje 125 km/h. Při posledním rychlostním stupni je námaha menší, ale vůz může zrychlit na vysokou rychlost. Tvar křivek je určen charakteristikou motoru a jejich umístění je určeno převodovými poměry převodovky.
Pomocí plynového pedálu může jezdec omezit výkon motoru a tím i síly přenášené na kola. Poté se bod rychlostní charakteristiky vozu posune do oblasti umístěné pod odpovídající modrou křivkou. Prezentované křivky jsou jakoby limity schopností daného vozu na zvolený převodový stupeň.
Při akceleraci ve formuli 1 řidič (nebo automat) mění rychlostní stupně. Jak je vidět z Obr. 1, stejnou rychlostí může auto jet na různých rychlostních stupních, například rychlostí 100 km/h na kterémkoli ze sedmi. Pro efektivní zrychlení je však výhodnější zůstat na nejnižším možném převodovém stupni co nejdéle, protože to umožňuje udržovat otáčky motoru na vysoké úrovni (otáčky motoru vozu Formule 1 za jízdy obvykle neklesají). klesnout pod 14 000 ot./min.) a, což je velmi důležité, umožňuje vyvinout větší sílu na kola při stejné rychlosti. Po zařazení vyššího rychlostního stupně dojde ke skoku z odpovídající klesající křivky na sousední, přičemž síla dodávaná na hnací kola klesá a otáčky motoru klesají, aby se poté opět zvýšily na maximum (přibližně 18 000 ot./min.), auto zrychluje. Poté se zařadí další rychlostní stupeň atd.
Někdy při výjezdu ze zatáček může jezdec zvolit vyšší převodový stupeň, než je nutné pro intenzivní zrychlení, například při rychlosti 125 km/h může být místo druhého zařazen čtvrtý převodový stupeň. To, jak je patrné z obrázku, umožňuje snížit sílu na kola vozu a jasněji ovládat dynamiku jeho zrychlení.
Každá trať má svou vlastní sadu optimálních převodových poměrů, což vám umožní dokončit kolo v minimálním čase. Tato sada je předem určena pomocí počítačových modelovacích programů a následně zpřesňována přímo na trase. Například pro španělský okruh v Barceloně, vzhledem k množství rychlých zatáček, budou převodové poměry nejvyšších převodových stupňů blíže k sobě, aby se zlepšila dynamika vozu při vysokých rychlostech.

Síla dodávaná kolům je vyrovnávána třecí silou kol se stopou, která vzniká na jejich styčné ploše. Tím, že zabraňuje prokluzování kola vzhledem k vozovce, tato síla způsobuje pohyb vozu vpřed. Do určité hranice je veškerá síla dodávaná na kola z motoru vyvážena třecí silou. Tato síla má však určitou maximální hodnotu. Pokud síla působící na kola překročí maximální třecí sílu, začnou prokluzovat a přebytečný výkon motoru se spotřebuje na zahřívání pneumatik a jejich obrušování o povrch vozovky. Z toho plyne důležitý závěr: užitečná síla, která zrychluje vůz, nemůže překročit maximální tažnou sílu kol s vozovkou.
Velikost maximální třecí síly závisí na mnoha faktorech: na materiálu a konstrukci pneumatik vozidla, svislém zatížení hnací nápravy a stavu vozovky (v dešti se výrazně snižuje). Při akceleraci formule 1 se zvyšuje maximální třecí síla, která je spojena s dodatečným přitlačením hnacích kol k vozovce vlivem aerodynamické síly.
Vůz F1 může prokluzovat až na 4. rychlostní stupeň a rychlost cca 180 km/h (do té doby je modrá čára výše než zelená). Do této rychlosti není zrychlení vozidla dáno výkonem motoru nebo nastavením převodovky, ale trakčními vlastnostmi pneumatik. Čili při stejném podvozku a nastavení by intenzita zrychlení na rychlost cca 180 km/h vozu F-1 se slabým Asiatechem, který je na Minardi, a s výkonným BMW (Williams) byla přibližně stejné.
Pokud při rychlosti např. 50 km/h sešlápnete plynový pedál příliš „duchovně“, kola se budou otáčet stejnou frekvencí, jako by vůz jel rychlostí 120 km/h. Výkon je přitom asi 160 koní. budou vynaloženy na vytápění a opotřebení pneumatik. Závodníci (nebo systém automatického řízení trakce) musí přijmout opatření, aby zabránily prokluzování, to znamená, že jemně pracují s plynovým pedálem a „škrtí“ motor, aby hnací kola zůstala na pokraji prokluzu.
Výsledkem je, že vůz formule 100 zrychlí na 1 km/h za přibližně 3 sekundy, což způsobuje značné zklamání, protože některé, i když velmi výkonné silniční vozy, například McLaren F1, mají téměř stejnou dynamiku zrychlení. To však není překvapivé, protože při nízkých rychlostech, kdy se aerodynamika „formulí“ teprve probouzí z hibernace, není účinnost adheze jejich kol k vozovce o mnoho vyšší než u silničních sportovních vozů. Nyní, pokud by třecí síla kol s vozovkou byla neomezená, vozy Formule 100 by zrychlily z nuly na 1 km/h za 1,4 sekundy a po další 1,6 sekundě by se jejich rychlost již blížila 200 km/h!

Zde je vhodné se vrátit k podobě otáčkové charakteristiky motoru. Maximální výkon motoru není jediným kritériem jeho dokonalosti. Méně výkonný motor může jezdci umožnit lepší využití schopností v zatáčkách díky výhodnějšímu tvaru rychlostní charakteristiky. co to znamená? Rychlostní charakteristika jakéhokoli motoru je konvexní směrem nahoru podél křivky, ale u formulových motorů je tato konvexnost větší než u konvenčních. Síla přenášená na kola při konstantní poloze plynového pedálu se mění s otáčkami motoru. Z tohoto důvodu musí řidič při akceleraci motoru s příliš hrbolatými charakteristikami sešlápnout plynový pedál „galantněji“, aby zabránil uklouznutí nebo smyku. Motor s celkem plochou rychlostní charakteristikou dává pilotovi možnost přesněji dávkovat sílu na hnací kola a pohybovat se na hranici trakčních schopností pneumatik vozu.
Po legalizaci systémů kontroly trakce můžete samozřejmě sešlápnout plyn volněji: elektronika uřízne přebytečný výkon motoru a na kola vyvine přesně takovou sílu, která bude odpovídat hranici přilnavosti kol k vozovce ( někdy stačí i polovina „vypuštěných“ koňských sil) . V tomto případě dojde ke zrychlení až do okamžiku, kdy síla přenášená na kola bude menší než mez adheze. A pak bude akcelerace vozu zcela řízena motorem a převodovkou.

Když se auto pohybuje po dálnici, působí na něj odporová síla. V zásadě je tato síla silou aerodynamického odporu vůči pohybu. Až 90 % energie dodávané kolům Formule 1 při rovnoměrném pohybu je vynaloženo na rozhýbání okolního vzduchu. Mimochodem, z hlediska zefektivnění nejsou vozy formule 1 na úrovni moderních silničních „zbytků“, ale někde mezi motocykly se sajdkárami a tramvajemi. Podívejte se na ta nestydatě odhalená kola a vyvinutá křídla: výrazně snižují aerodynamiku auta. Aerodynamická složka odporové síly závisí na rychlosti vozidla, míře aerodynamického zatížení křídel, rychlosti a směru větru a hustotě okolního vzduchu. Kromě toho je část energie vynaložena na deformaci pneumatik při odvalování (z velké části závisí na tlaku v pneumatikách) a na práci proti gravitaci (při jízdě ve svahu).
Když je síla dodávaná na kola vozu větší než odporová síla, vůz zrychluje. Intenzita zrychlení je navíc úměrná rozdílu mezi užitečnou silou na kola a odporovou silou (svislá vzdálenost mezi modrou a červenou křivkou) a je také nepřímo úměrná hmotnosti vozu – Newtonův zákon. Když je hnací síla vyvážena silou odporu, vůz se začne pohybovat konstantní rychlostí. Tato rovnováha určuje maximální rychlost „Formule 1“. Zvýšíme-li aerodynamické zatížení vozu, červená křivka bude stoupat strměji a její protnutí s modrou čárou nastane dříve, proto se maximální rychlost sníží. Proto se zvýšenými úhly náběhu křídel ztrácejí vozy formule 1 maximální rychlost, ačkoliv získávají možnost rychleji zatáčet. Jedním slovem, maximální rychlost automobilu je dána především jeho racionalizací a výkonem motoru.
Je třeba poznamenat, že pro každý stupeň aerodynamického zatížení existuje velmi specifický nejvyšší převodový poměr, který umožňuje vyvinout maximální možnou rychlost, to znamená využít plný potenciál motoru. Odchylka od této optimální hodnoty, ať už směrem nahoru nebo dolů, bude mít za následek snížení maximální rychlosti. Pokud se tedy nastavení Formule 1 výrazně změní, musí mechanici přenastavit převodovku. To se obvykle provádí změnou koncového pohonu.

„Dynamo“
Jaký je tedy výsledek? Srovnejme „průměrný“ vůz formule 1 a silniční Ferrari 550 Maranello. Je to mimochodem velmi výkonný vůz s motorem o výkonu cca 500 koní a 6stupňovou převodovkou. Jejich maximální rychlosti jsou přibližně stejné: je to dáno horším prouděním Formule 1 ve srovnání s ladným sporťákem. Pokud však jen tak ze srandy sundáte vozu formule 1 všechna křídla, bez problémů zrychlí na 400 km/h.
Pokud jde o dynamiku zrychlení, oba vozy zrychlují na 100 km/h přibližně stejně, i když „formule“ získává více než sekundu. Výše uvedené vlastnosti mají vliv. Ale podívejte se na rozdíl v intenzitě zrychlení ve vysokých rychlostech! „Formule“ tak zrychlí na 300 km/h za něco málo přes 10 sekund a silniční Ferrari za 40! Vzdálenost potřebná ke zrychlení na 300 km/h u Formule 1 je přibližně 500 m a u civilního vozu – 2500 m. Rozdíl. Při vysokých rychlostech, kdy aerodynamika „formule“ funguje efektivně, vám výkonný motor a lehký podvozek umožní získat ohromující dynamický výkon. Mnohem těžšímu (1700 kg) a méně výkonnému silničnímu Ferrari nic nebrání.
V kategorii Straight Run tedy mohou dynamu F-1 konkurovat pouze dragstery. Podle samotných jezdců je však na Formuli 1 nejmarkantnější ani tak zrychlení, jako spíše dynamika brzdění a rychlost v zatáčkách. Ale to jsou témata na samostatný rozhovor.

Artem Krasnov

Časopis Formule 1 červenec 2002