[Special] Het geheim van een goede auto

Met het onderstaande artikel wil ik je kennis laten maken met de aerodynamica die nodig is voor een Formule 1-auto. Dit doe ik aan de hand van de midwing. Slechte auto’s hebben grotere midwings dan de topteams: hoe komt dat?

Elke engineer binnen een Formule 1-team is continu op zoek naar zwakke punten van de auto en wil deze zo snel mogelijk verbeteren. Ik heb ook een poging gedaan om een zwak punt van een Formule 1-auto te ontdekken en ik heb er zowaar een gevonden: de midwing. De grootte en überhaupt de aanwezigheid van de midwing op de verschillende Formule 1-wagens is erg variabel en lijkt in verhouding te zijn met het prestatievermogen van de auto. Ik heb me in de functie van de midwing verdiept en zal de door mij gevonden opzienbarende resultaten aan je tonen.

Midwings in alle soorten en maten
Voor mijn onderzoek was ik op zoek naar een aerodynamisch verschil tussen de auto’s die evenredig is aan het prestatievermogen van de wagen. Eén onderdeel voldeed precies aan mijn eisen: de midwing. De vleugel bevindt zich vlak onder en vaak ook achter de gekleurde antenne van een Formule 1-wagen.

Afb. 1: de gele pijltjes wijzen de midwings aan

Midwings zijn volgens de reglementen niet verplicht, maar de meeste auto’s bevatten ze wel. De variëteit van midwings is erg groot: er zijn lange en korte types en ook de vorm verschilt van soort tot soort. Reden genoeg dus om alle midwings eens met elkaar te vergelijken. De onderstaande afbeelding laat zien dat er heel duidelijk een verband bestaat tussen de grootte van de midwing en de klasse van de auto. Hoe groter de midwing, des te slechter de auto er momenteel voor staat in het klassement.

Afb. 2: het prestatievermogen lijkt evenredig te zijn aan de grootte van de midwing

Het creëren van downforce
Midwings zijn op een auto aanwezig om meer downforce in het middendeel van de auto te genereren. Downforce kunnen we vertalen naar het Nederlands: neerwaartse kracht. Deze kracht is nodig om voldoende grip aan een auto te geven. Grip verbetert het afzetvermogen van de auto via de banden tegen het wegdek en laat de auto makkelijker een bocht nemen. Grip, en daarmee ook downforce, zijn van essentieel belang voor een Formule 1-wagen. Zonder voor- en achtervleugels zou de wagen bij een redelijke snelheid al gelanceerd worden. Een juiste afstelling van de auto moet ervoor zorgen dat de auto precies voldoende grip op de baan heeft. Te veel grip wil men voorkomen, omdat de auto dan zo erg tegen de baan gedrukt wordt, dat het ten koste gaat van de snelheid.

De midwing werkt hetzelfde als een vliegtuigvleugel, alleen is hij ondersteboven geplaatst. Hierdoor ontstaat niet de liftwerking zoals bij een vliegtuig, maar het tegenovergestelde daarvan: een negatieve liftwerking. Met behulp van de onderstaande illustratie, zal ik kort de functie van de specifieke vleugelvorm uitleggen.

Afb. 3: lucht stroomt zodanig langs de midwing, dat er downforce ontstaat

Het kenmerk van de midwing is dat de onderkant een bollere vorm heeft dan de bovenzijde. Tijdens het rijden zal de passerende lucht langs de onderkant van de vleugel een langere weg moeten afleggen dan aan de bovenzijde. Dit houdt in dat de lucht onder de vleugel sneller stroomt, waardoor de druk daar lager is. Voorwerpen hebben de neiging zich naar een lagedrukgebied te bewegen, dus de auto wordt in dit geval naar beneden bewogen. In de aerodynamicaleer staat dit principe bekend als de Wet van Bernoulli.⁽¹⁾

Afbeelding 3 laat schematisch zien welke invloed de luchtstroom heeft op de midwing van een auto die naar links beweegt (tegen de luchtstroom in). Naast downforce (F_{lift,negatief}), ontstaat er luchtwrijving (F_w) als neveneffect. Luchtwrijving wil men zoveel mogelijk voorkomen, omdat het de auto afremt.

Waarom de midwing?
We zagen al dat de midwing niet per se aanwezig hoeft te zijn op een wagen; zowel McLaren als BMW maken er momenteel geen gebruik van. Zij creëren blijkbaar al genoeg downforce met de voor- en achtervleugels. De andere teams gebruiken de midwing voor een gunstiger downforcebelasting over de auto. Omdat de midwing zich achter het midden van de auto bevindt, ontlast het de achtervleugel enigszins. Dit alles in het kader: hoe minder achtervleugel je hebt staan, des te minder luchtweerstand je ondervindt. Er ontstaat echter weer meer luchtweerstand bij de midwing. Het is een kwestie van de juiste verhoudingen zien te vinden van de voorvleugel, midwing en achtervleugel.

Vorm van de midwing
Als een team ervoor kiest om een midwing op de auto te plaatsen, geeft dat nog geen garantie voor een betere verdeling van de downforce over de auto. Hiervoor zijn een juiste vorm, grootte en plek op de auto nodig. Welke midwing het beste functioneert, lijkt binnen de Formule 1-teams niet duidelijk te zijn, anders reden er momenteel niet vier verschillende uitvoeringen rond.

Afb. 4: de midwings van Renault en Spyker tegenover elkaar

Graag laat ik je de verschillen zien tussen de midwing van een goed presterende auto (Renault) en die van de rode lantaarn in het veld (Spyker). Bij beide midwings zien we de ronding aan de onderkant van de vleugel terug, waarvan ik de functie reeds heb uitgelegd. Dat is echter de enige overeenkomst die we op aerodynamisch vlak tegenkomen. De midwing van Spyker is vele malen breder (zie afbeelding 2), bevindt zich achter de antenne in plaats van eronder en de vorm verschilt met die van Renault. Nu is het de vraag of deze verschillen invloed kunnen hebben op de prestaties van de auto.

Ik zal eerst de vormeigenschappen van de midwing van Renault analyseren. Deze midwing zorgde er de afgelopen twee jaar voor dat Renault wereldkampioen werd.

Afb. 5: de vleugelvorm van de Renault midwing veroorzaakt een neerwaartse druk

Bij Renault wil men maximale downforce uit de midwing halen. De vleugel is naar boven gekromd aan de achterzijde. Dit zorgt voor extra neerwaartse druk die veroorzaakt wordt door luchtmoleculen die tegen de kromming aan botsen. In de bovenstaande afbeelding is de netto druk die door de lucht wordt uitgeoefend met een groene pijl weergegeven. Het afgebogen uiteinde lijkt als nadeel te hebben dat het meer luchtweerstand oplevert. De midwings van Renault hoeven echter niet zo breed te zijn, omdat ze relatief veel neerwaartse beweging veroorzaken. Verder kan de achtervleugel bij Renault een tandje lager gezet worden, waardoor de luchtwrijving gecompenseerd kan worden.

Bij Spyker genereert men in tegenstelling tot Renault een opwaartse druk door de positionering van de midwing. Hieronder is de werking van de Spyker midwing schematisch weergegeven.

Afb. 6: de schuine positie van de midwing van Spyker werkt de downforce tegen

Luchtmoleculen voeren hier een netto druk uit die opwaarts werkt. Deze situatie kun je vergelijken met een stuk triplex dat je tegen een stormachtige wind in houdt. Je voelt dan dat de plaat naar boven weg wil vliegen. Dit effect treedt dus ook op bij de Spykerbolide, alhoewel er nog steeds een neerwaartse kracht ontstaat door de ronding aan de onderkant van de midwing. De luchtstroom veroorzaakt zo twee tegengestelde krachten.

Afb. 7: Meerdere krachten werken elkaar tegen in de Spyker midwing

Afbeelding 7 laat zien hoe de verschillende krachten elkaar tegenwerken. Door alle krachten die op de vleugel werken op te tellen, ontstaat er een resulterende kracht (F_res). Deze staat voor de netto kracht die door de lucht wordt uitgeoefend op de midwing. Omdat de opwaartse druk een kracht omhoog levert, werkt deze de downforce tegen en dat is nou net niet de bedoeling van de midwing. De blauwe pijl, die voor de resulterende kracht staat, dient zoveel als mogelijk naar beneden te wijzen, in plaats van naar rechts. Hoe meer deze pijl naar rechts wijst, des te meer de kracht tegen de rijrichting van de auto inwerkt, waardoor de snelheid van de wagen afneemt en er ook nog eens minder downforce op de wagen wordt overgebracht. Om toch voldoende downforce te creëren, heeft Spyker gekozen voor een bredere midwing.

De oplossing van het probleem
De Formule 1-teams die gebruikmaken van de brede variant van de midwing, zoals Spyker die momenteel ook hanteert, zouden de switch moeten maken naar de Renaultvleugel. Deze midwing heeft efficiëntere gevolgen voor de downforce en zal de snelheid van de wagen bij een goede aerodynamische afstelling aanzienlijk kunnen verhogen.

Het doel voor alle teams met midwings moet zijn: streef naar zo klein mogelijke midwings. De grip die het team achter de auto wil creëren moet men niet alleen compenseren door de achtervleugel wat hoger te zetten. Het gewicht van de auto meer naar achteren plaatsen moet de eerste prioriteit hebben. Dit geeft meer grip aan de achterzijde van de auto zonder dat dit ten koste hoeft te gaan van de snelheid; er komt immers geen extra luchtweerstand bij.

De Spyker B-specificatie
In werkelijkheid is het natuurlijk niet zo makkelijk als ik hierboven heb voorgesteld. De midwing moet gezien worden als een noodgreep die voldoende grip aan de auto moet geven. Als Spyker de midwings van Renault op de huidige auto zou monteren, zou de balans in de auto volledig verdwenen zijn. De midwing is een van de vele variabelen waar rekening mee gehouden moet worden in de fabriek. Als je die aanpast, kunnen alle berekeningen voor de overige onderdelen in principe weer opnieuw beginnen. Toch moet men door middel van onderzoek in de windtunnel een juiste balans zien te vinden met een aangepaste midwing. Zolang een team de grote midwing nodig heeft, is dat een indicatie voor ons dat het team geen goede downforceverdeling weet te vinden.

Na de huidige zomerstop zal Spyker met een vernieuwde auto gaan rijden. Het zou mooi zijn als deze B-specificatie een efficiëntere midwing heeft. Daarmee zouden we de hierboven genoemde theorie in de praktijkresultaten terug kunnen zien.

Aan het einde van dit artikel wil ik je er op attenderen dat niet alle suggesties die door mij hierboven zijn gedaan, hoeven te kloppen. Deze special is slechts bedoelt om een mogelijke oorzaak te vinden voor het verband dat er is tussen de grootte van midwing en de klasse van een Formule 1-auto.

⁽¹⁾ De hier gegeven theorie is inmiddels achterhaald, maar dient echter nog steeds goed ter visualisatie

Gebruikte bronnen:
Wikipedia NL
Spyker F1 site
ING Renault F1 site
Officiële F1 site: Gallery
Officiële F1 site: Technical