Warum Downforce und Luftwiderstand immanent sind

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Für rund 1,1 Millionen Schüler in Österreich begann im September wieder der Ernst des Lebens. Um den Schulstart zu erleichtern, übernimmt in dieser Woche LAOLA1 den Stundenplan. Willkommen in der LAOLA1-Schule!

Die Unterrichtsfächer sind altbekannt, der Lehrinhalt aber neu: Sport in allen Facetten. Heute auf dem Programm: Physik.

"Aerodynamik ist für Leute, die keine Motoren bauen können".

Böse interpretiert trifft Enzo Ferraris Spruch aus dem Jahr 1960 heute noch auf Red Bull Racing zu, das mit Adrian Newey zwar die Aerodynamik-Koryphäe schlechthin beschäftigt, aber traditionell Probleme mit den Renault-Motoren hat.

Ansonsten weiß jeder Fan heutzutage: Neben Fahrwerks-Technik und Motoren kommt der Aerodynamik eine entscheidende Rolle in der Formel 1 zu. Nur wenige wissen aber, wie diese überhaupt funktioniert.

Damit aus wenigen mehr werden, blickt die "LAOLA1-Schule" heute im Fach Physik auf die Geheimnisse der Aerodynamik.

Was ist Aerodynamik?

"Aerodynamik ist die Mechanik der Luft. Sie beschäftigt sich mit den Gesetzmäßigkeiten, wie Luft einen Körper umströmt. Der Körper ist im Fall der Formel 1 der Rennwagen", sagt Alexander Pöllinger.

Der 24-Jährige ist im Racing Team der Technischen Universität Wien für die Aerodynamik zuständig. Die Gruppe entwickelt selbst Rennwagen und nimmt regelmäßig an Rennen der "Formula Student" teil.

"Wir versuchen aus der Luft, die dem Fahrzeug entgegenströmt, Downforce (Anpressdruck, Anm.) zu erzeugen und dabei möglichst wenig Drag (Luftwiderstand, Anm.) zu begegnen", erklärt der Ingenieur die zwei Ziele seines Aufgabenbereichs.

Der Luftwiderstand als Gegner

Rennwagen mit offenen Reifen, wie in der Formel-Serie üblich, seien besonders anfällig: "Luftwiderstand entsteht einerseits durch die Reibung an der Karosserie, aber vor allem der Umlenkung der Luft. An der Oberseite der Reifen bewegt sich die Luft in die entgegengesetzte Richtung wie die Luft, die entgegenkommt. Das verursacht hohen Luftwiderstand", so Pöllinger.

Ein Aerodynamiker muss die Strömung also bändigen sowie nützen. "Die Hauptanströmrichtung ist von vorne, der Seitenwind ist in der Formel 1 weniger relevant. Wenn das Fahrzeug 200km/h fährt, sind die 10km/h von der Seite harmlos. Entscheidend beim F1-Boliden ist, dass die Luftströme sehr stark geteilt werden."

Dieser Umstand hat Auswirkungen auf den Autos: "Viele Bauteile sind hauptsächlich dafür verantwortlich, die schlechte Strömung hinter den Vorderreifen nicht ins Fahrzeug reinziehen zu lassen, sondern außen um das Auto."

Der Frontflügel ist der bekannteste davon. Dieser erzeugt aber gleichzeitig auch Downforce.

Wie Downforce entsteht und warum sie wichtig ist

"Downforce ist jene Kraft, welche durch die Umlenkung der Luft auf das Auto nach unten wirkt. Sie drückt das Fahrzeug auf die Fahrbahn", definiert Pöllinger.

"Je höher die Downforce, desto besser haftet der Reifen auf der Fahrbahn. Desto schneller kann das Fahrzeug die Kurven nehmen, ohne dass die Zentrifugalkräfte das Auto aus der Kurve tragen. Wenn ich eine Kurve Vollgas fahren kann, hat die Aerodynamik ihren Job richtiggemacht."

Downforce ist also immanent, aber wie erzeugt man sie? Die Luft spielt wieder die Hauptrolle. Wenn sie auf einen der Flügel trifft, teilt sie sich. Teile davon fließen die Oberseite entlang, Teile darunter. Die Unterseite des Flügels ist so konstruiert, dass die dort entlang fließende Luft den weiteren Weg zurücklegen muss.

Dann macht sich ein Aerodynamiker die physikalischen Gesetzmäßigkeiten zunutze: "Man kann sich die Luftmasse als eine gewisse Menge Energie vorstellen. Energie kann nie verschwinden. Damit gleich viel Luft den Flügel anströmt wie verlässt, muss sich die Luft also auf der Unterseite schneller bewegen als jene oben, um gleichzeitig am Ende anzukommen. Nach dem Gesetz von Bernoulli bedeutet schnellere Luft ein geringerer Druck auf der Oberfläche des Flügels. Diese Druckdifferenz ergibt eine Gesamtkraft nach unten", so der Spezialist. "Bei einem Flugzeugflügel funktioniert das Prinzip vice versa, es entsteht Auftrieb."

Die Aufgaben der Flügel

Weil der Frontflügel auch der Kühlung Platz für deren Luftmassenströme zur Verfügung stellen muss, produziert er den größten Teil der "Downforce" außerhalb der sogenannten "neutral section", dem vorgegebenen flachen Streifen in der Mitte.

Ganz anders sein Namensvetter am anderen Ende des Boliden: "Der Heckflügel ist der letzte traditionelle Flügel am F1-Auto und ist eigentlich nur dafür da, um Downforce zu erzeugen."

"Die Strömung zum Heckflügel muss möglichst sauber sein. Deshalb steht auf dem Weg dorthin kaum etwas vom Auto ab. Die Kamerahalterung und kleinen Bügelchen sind dazu da, um die Strömung zu begradigen."

Der T-Flügel (rot markiert)
Foto: © GEPA

Der T-Flügel, ab kommender Saison verboten, hat nur einen kleinen Anteil an der gesamten Downforce, ist aber aufgrund seiner Form effizient.

Freilich ist zu beachten, dass die Bauteile multifunktionell sind, hier wird aber nur auf die aerodynamisch-spezifischen Eigenheiten eingegangen.

So dienen die Sharkfins ("Haiflossen") ebenfalls dazu, den Heckflügel besser anzuströmen. Gleichzeitig dienen sie aber auch der Stabilisierung des Fahrzeugs.

Shark fin (rot markiert)
Foto: © GEPA

"Jedes Auto, das eine Kurve fährt, driftet immer um ein paar Grad. Grip kann nämlich nur aufgebaut werden, wenn der Reifen rutscht. Die Sharkfins können gegen Übersteuern helfen, sie drücken das Fahrzeug wieder in die Fahrtrichtung."

Das Fahrwerk spielt eine weitere Rolle: "Strömung, die hinten am Reifen weggeht, will niemand am Fahrzeug haben. Sie produziert sehr wenig Downforce und das sehr unzuverlässig. Die Bargeboards ("Kasten" hinter Vorderreifen, Anm.) versuchen, die Strömung am Fahrzeug vorbeizuleiten, damit am Heckflügel und Unterboden saubere Strömung ankommt."

Bargeboard (rot markiert)
Foto: © GEPA

Beim Formel-1-Rennwagen kreiert aber kein Flügel, sondern der Unterboden am meisten Downforce.

"Deshalb versucht man möglichst viel Strömung unter das Fahrzeug zu bringen und die Nase möglichst dünn und schmal zu gestalten."

Wie das DRS funktioniert

Anpressdruck und Luftwiderstand sind auch für das Drag Reduction System (DRS) entscheidend.

"Beim DRS klappt der obere Flap (zu deutsch Klappe, Anm.) des Heckflügels hoch. Man provoziert einen Strömungsabriss am Heckflügel, um Luftwiderstand zu verringern. Gleichzeitig verliert man dadurch Downforce, was auf einer Geraden aber nebensächlich ist", so der TU-Experte.

Denselben Effekt hat turbulente Luft.

Turbulente Luft erschwert Überholen

Wenn die Luft gerade strömt, nennt dies die Fachsprache "Freestream". Turbulente Luft ist das Gegenstück dazu: "Damit kann ein Aerodynamiker ganz schwer umgehen. Sie haftet nicht am Flügel, bildet kleine Wirbel und ist chaotisch. Sie geht in Richtungen, die man nicht haben will."

Zum Beispiel nach hinten. Der Grund, warum Überholmanöver ohne DRS in dieser F1-Saison Seltenheitswert haben. Denn die neuen Regeln – größere Hinterreifen, breiterer Frontflügel – sorgen für mehr Turbulenzen.

"Vereinfacht ausgedrückt entzieht das Umlenken der Luft im Vorderauto der Luft jene Energie, die dann dem Hintermann abgeht. Der verliert dadurch Downforce. Und wenn ich am Kurvenausgang nicht ganz knapp am vorderen Fahrzeug sein kann, wird das Überholen schwer", so Pöllinger.

Gut zu beobachten beim Ungarn-GP (HIER NACHLESEN), als die beiden Mercedes-Piloten Lewis Hamilton und Valtteri Bottas an Ferrari-Fahrer Kimi Räikkönen, der WM-Leader Sebastian Vettel abschirmte, verzweifelten.

Fans und Fahrer kritisieren langweiligere Rennverläufe. Pöllinger präsentiert eine mögliche Lösung: "Die IndyCar-Serie hat das Problem gut gelöst. Sie generieren mehr Downforce über den Unterboden und weniger über den Heckflügel. Das Fahrzeug ist sehr windschlüpfrig gebaut. Dadurch können die Autos viel knapper hintereinander herfahren."

Regeln geben mühsame Entwicklung vor

Das Regelwerk, das "bis auf den letzten Buchstaben ausgenutzt wird", macht den Reiz für die Techniker aus: "Ein F1-Auto ist aerodynamisch ja nicht ideal. Es schaut nur aufgrund der Regeln so aus."

Jede Regeländerung bedeutet daher eine Herausforderung für die hunderten Aerodynamiker pro Team. "Im schlimmsten Fall muss man das ganze Fahrzeug-Konzept umschmeißen". Umso entscheidender ist die Basis. Und es ist auch eine Geldfrage.


Daniel Ricciardo stellt sich der Marshmallow-Challenge

(Text geht unter dem Video weiter!)


"Teams mit kleineren Budgets können nicht alles gleichzeitig entwickeln. Über Entscheidungsmatrizen muss man dann rechnen: Ein besserer Heckflügel bringt X Sekunden, ein besserer Frontflügel Y Sekunden. Wovon man sich mehr verspricht, dort setzt man die Entwicklung an", beschreibt Pöllinger die knifflige Entwicklungsphase, die mit einem Computermodell startet.

"Mit allen Abgrenzungen, die das Reglement vorgibt. Dann weiß ich, wo ich nicht rauszeichnen darf und wie proportioniert alles ist. Die Fahrwerkstechniker informieren dann über Radstand, Reifendurchmesser und Spurweite. Auch über das Chassis und Monocoque."

Die Daten müssen dann unter einen Hut gebracht werden, wobei man sich vom Kleinen ins Große vorarbeitet: "Man startet mit einfachen Flügeln. Wenn man einmal ein einfaches, funktionierendes Aero-Paket hat, geht man ins Detail. Man versucht, den Vorderreifen besser zu umströmen und das Fahrzeugheck effizienter zu machen. Es soll nicht zu viel Luft von den Hinterreifen in den Diffusor gelangen. Es wird alles immer komplexer und komplexer."

Geht die Entwicklung komplett schief, können Teams bereits für die nächste Saison planen. Während der Saison helfen nur noch Aero-Pakete.

Was Aero-Pakete bringen

Jedes Team hat meist drei verschiedene oder mehr Aero-Pakete: "Eines mit wenig, durchschnittlich und viel Downforce. Diese versucht man hinsichtlich des Luftwiderstands und der Downforce zu optimieren."

Neue Bargeboards oder Änderungen am Frontflügel sind dann das Resultat am Rennwochenende: "In Monza werden die Flügel viel flacher eingestellt. Das Auto ist besser umströmt, um auf langen Geraden wie nach der Parabolika möglichst viel Geschwindigkeit mitzunehmen. Im engen und langsamen Kurs von Monte Carlo stehen die Flügel dafür fast senkrecht in die Höhe auf Kosten des Drags, der dort aufgrund genügender Motorleistung kaum relevant ist", so Pöllinger.

Aerodynamik-Genie Adrian Newey
Foto: © GEPA

Rundenzeiten-Simulationen ergeben die Grundeinstellungen. Auf der Strecke kann dann noch der Fahrer Feedback geben. "Kommt drauf an, ob er vorne zu viel Downforce hat oder das Fahrzeug in der Kurve rutscht. Je nachdem verstellt man den Front- und Heckflügel um ein paar Grad."

Windkanal als Segen

In der freien Wildbahn stellt der Wind aber eine unberechenbare Variable dar. Dazu kommt das unruhige Fahrzeug aufgrund von Bodenunebenheiten. Stabilität sei aber die Grundvoraussetzung für den Aerodynamiker. "Das Fahrzeug soll nicht zu viel nicken oder rollen. Ändert sich der Bodenabstand (in der F1 nicht reglementiert, Anm.), ändert sich auch die Downforce. Wenn der Frontflügel am Boden schleift, reißt die Strömung ab und dann können wir leider keine Downforce mehr produzieren", erklärt der Ingenieur.

Umso beliebter ist der Windkanal: "Weil man in einem kontrollierten Rahmen testen kann. Es ist das beste Werkzeug, um vorher getätigte Simulationen zu verifizieren."

Auch das ist freilich eine Geldfrage. Lösungen werden laufend diskutiert.

Budget-Obergrenze oder Vereinheitlichung?

Mit einer Budget-Obergrenze würde das Fahrerfeld zwar näher zusammenrücken, aber Pöllinger ist skeptisch: "Die Frage ist, wie man das kontrollieren will. Die Top-Teams könnten dann anfangen, Subfirmen zu gründen, welche die Entwicklung übernehmen."

Andererseits könnte die Aerodynamik vereinheitlicht werden. Wie in der IndyCar gäbe es dann für jedes Team dieselben standardisierten Aero-Pakete.

Pöllinger sieht darin aber keine Option für die Königsklasse: "In der Formel 1 ging es immer darum, das beste Auto zu bauen. Wenn man in zehn Jahren noch immer mit denselben Autos fahren würde, hätte man sich nicht weiterentwickelt und die Formel 1 wäre nicht mehr State of the Art. Ohne aerodynamischem Paket wäre die Formel 1 nicht mehr das Nonplusultra im Motorsport. Es ist ein Konstrukteurs-Wettbewerb."

In dem die Aerodynamiker eine gewichtige Rolle spielen.

Die unterschätzte Aerodynamik

Sie bestimmen immerhin auch federführend das Aussehen vom Auto mit. Trotzdem werde ihre Arbeit vom Laien unterschätzt: "Man sieht uns ja nicht beim arbeiten. Die Luft ist unsichtbar und ich glaube, viele Leute können sich nicht vorstellen, welche Kräfte auf das Fahrzeug wirken", meint Pöllinger.

"Bei 170 Stundenkilometern könnte das Auto auf der Decke fahren! Wir reden hier von mindestens 800-900 Kilogramm Downforce und diese steigt quadratisch mit der Geschwindigkeit. Die Flügel sind mittlerweile so stabil, dass man das ganze Auto darauf aufhängen kann (etwa 730kg, Anm.)", klärt der TU-Fachmann über die Kraftverhältnisse auf.

Beim Grand Prix von Malaysia (1. Oktober) haben F1-Fans 840 Kurven Zeit, die Arbeit der Aerodynamiker zu bestaunen. Oder beim nächsten Windhauch zumindest daran zu denken.


Hausaufgabe: Führe in einem Kommentar dein perfektes Aerodynamik-Konzept für ein F1-Auto aus.

Haha. Das wäre dann wohl doch etwas zu viel verlangt.

Weil der GP von Singapur so nervenaufreibend war und im Fußball eine englische Woche mit Cup-Spielen stattfindet, sei Schülern der LAOLA1-Schule heute eine Pause vergönnt, damit es keine Beschwerden über eine mögliche Doppelbelastung gibt. Hausaufgabenfrei!


MONTAG: Deutsch

DIENSTAG: Geographie

Textquelle: © LAOLA1.at

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