Uitgelegd: Wat is grondeffect en hoe bevordert dat inhalen in F1?

Het inhaalprobleem in de Formule 1

Laten we beginnen met een korte opfriscursus. Op hoge snelheid spelen twee aerodynamische aspecten de voornaamste rol. Een verticale kracht (downforce), waarbij de lucht middels aerodynamische oppervlakken de auto tegen de grond drukt, wat vervolgens door de banden omgezet wordt in grip. En daarnaast een horizontale kracht (drag) die de voorwaartse beweging van de auto tegenwerkt en daardoor de topsnelheid beïnvloedt. Steek je hand maar eens uit het raam van een rijdende auto: een vlakke hand heeft veel minder last van die kracht dan wanneer je je hand rechtop steekt. Zo werkt dat ook op een F1-auto: hoe meer downforce gegenereerd wordt, hoe groter de luchtweerstand. De teams en coureurs zijn daarom altijd op zoek naar het beste compromis tussen grip in de bochten en snelheid op de rechte stukken, afhankelijk van de karakteristieken van de baan.

Turbulentie

Formule 1-auto’s worden ontwikkeld om zo goed mogelijk te presteren in wat we ook wel ‘schone lucht’ noemen, namelijk een stabiele lucht die niet verstoord is door een andere wagen. Alle teams maken bij de ontwikkeling van hun wagens gebruik van een windtunnel, en daarmee ideale condities. Zo proberen ze een bolide te ontwikkelen die in optimale omstandigheden optimaal presteert.

De continue zoektocht naar betere aerodynamische prestaties en de toenemende kennis op dit gebied heeft ervoor gezorgd dat de wagens de afgelopen jaren met steeds meer vinnetjes, flapjes, gleufjes en vleugeltjes werden uitgerust. Hiermee wordt geprobeerd om de luchtstroom te sturen naar een door het team gewenste regio.

De keerzijde van de medaille is dat er achter de wagens een wirwar aan wervelingen ontstaat. Dit is de sleutel tot het probleem in F1. Simpel gezegd: het dicht volgen van een andere wagen, met name op hoge snelheid, houdt in dat je in de wervelingen afkomstig van de auto voor je komt te rijden. Deze wervelingen verminderen de kwaliteit en kwantiteit van de luchtstroom die terechtkomt op de aerodynamische oppervlakken zoals vleugels en vloer. Daardoor wordt de auto met minder kracht naar beneden gedrukt, oftewel minder downforce. De turbulentie achter een auto wordt ook wel vuile lucht genoemd, het tegenovergestelde van schone lucht. 

Downforceverlies bij het achtervolgen van een andere auto met de 2021-reglementen

Illustratie: Camille De Bastiani

Slipstreamen en vuile lucht

Dit fenomeen is op een recht stuk voordelig voor de achtervolger. De coureur aan kop breekt de lucht als het ware open en krijgt daardoor te maken met maximale weerstand. De wagen erachter heeft te maken met minder weerstand en kan dus een hogere snelheid bereiken omdat hij als het ware naar de voorganger toe wordt gezogen. Dit vergroot de kans op een inhaalactie. Dat verklaart ook waarom coureurs over het algemeen zo lang mogelijk in de slipstream van de ander blijven rijden voordat ze naar een andere lijn sturen om in te halen.

In de bochten zorgt de vuile lucht echter voor grotere problemen. Het volgen van een andere auto in dunne en turbulente lucht (waardoor je niet zoveel downforce genereert als gewenst) is veel lastiger, aangezien F1-auto’s daar niet op zijn ontwikkeld. De achtervolger verliest downforce en daarmee grip, wat resulteert in onderstuur en oververhitting van de banden, en daarmee nog meer verlies van snelheid. In veel gevallen haakt de achtervolger vrij snel af om de banden te sparen. Over de lengte van een hele stint kan het nadeliger zijn om een ander dicht te volgen dan om hem een paar seconden weg te laten lopen. 

Dit probleem werd in 2017 nog meer versterkt doordat de F1-auto’s en de banden verbreed werden. Het aerodynamisch oppervlak werd daardoor groter, terwijl er in de regels meer vrijheid was om extra vleugeltjes en flapjes te introduceren. Buiten het feit dat inhalen al lastiger werd omdat de wagens simpelweg breder waren, zorgden ze ook voor meer turbulentie. De Formule 1 rekende uit dat in 2021 een achtervolgende rijder tot 46 procent aan downforce verloor wanneer hij tien meter achter een ander reed.

Grondeffect in de Formule 1 middels Venturi-tunnels

Illustratie: Camille De Bastiani

Wat is grondeffect?

Wanneer we het hebben over grondeffect, bedoelen we het fenomeen waarbij we de grond (in dit geval het circuit) gebruiken als integraal onderdeel van het aerodynamisch systeem om de downforce en grip in de bochten te vergroten.

Venturi-effect en Bernoulli-principe

Een F1-auto met grondeffect maakt gebruik van het Venturi-effect om downforce te genereren middels een drukverschil tussen de boven- en onderzijde van de wagen. Het Venturi-effect, vernoemd naar de Italiaanse fysicus Giovanni Battista Venturi, bestaat uit een doelbewuste vernauwing in een stromingskanaal of tunnel. Hierdoor neemt de stroomsnelheid toe. Volgens de wet van Bernoulli zorgt een toename in stroomsnelheid van een vloeistof of gas (zoals lucht) voor een verlaging van druk. Na het smalste punt in de tunnel accelereert de luchtstroom en ontstaat een lagedrukgebied. 

Simpel gezegd: wanneer een bepaalde hoeveelheid lucht met een bepaalde snelheid in een afgesloten ruimte stroomt, en vervolgens gedwongen wordt om door een smallere flessenhals te gaan, neemt de stromingssnelheid toe en neemt de luchtdruk net na de versmalling af. 

Aan de grond gekleefd

Wanneer minstens een van de objecten die deze afgesloten ruimte vormt mobiel is, ontstaat er een tweede effect: zuiging. Zodra de druk aan de onderkant afneemt maar aan de bovenkant onveranderd blijft, ontstaat er een neerwaartse kracht. Wanneer we dit toepassen op de Formule 1, wordt deze zuiging die ontstaat door de drukverschillen tussen de onder- en de bovenkant van de wagen gebruikt om de wagen richting asfalt te duwen. Deze neerwaartse druk zorgt voor meer grip en daarmee een hogere bochtensnelheid. 

Venturi-tunnels

In de praktijk draait het grondeffect om de Venturi-tunnels in de ruimte tussen de onderkant van de F1-auto en het asfalt. Hier stroomt lucht naar binnen, waarna de stroomsnelheid door een versmalling toeneemt en aan de achterkant via een diffuser weer naar buiten stroomt. Deze tunnels moeten zo gesloten mogelijk zijn, om te voorkomen dat lucht aan de zijkanten uit het vacuüm kan ontsnappen en zo de zuiging vermindert. 

De tunnels hebben de vorm van een omgekeerde vliegtuigvleugel en de opening aan de achterzijde is groter dan aan de voorkant. Na binnenkomst wordt de lucht door het smalste gedeelte tussen auto en asfalt gedrukt en accelereert. Dat zorgt voor een lokaal vacuüm onder de wagen en overdruk bovenop de diffuser, waardoor het gewenste effect van zuiging ontstaat. 

De vergelijking met een omgekeerde vleugel van een vliegtuig wordt veelvuldig gemaakt. Het fenomeen waardoor F1-auto’s naar de grond worden gedrukt, is namelijk het omgekeerde van wat vliegtuigen gebruiken om op te stijgen. De vliegtuigvleugel is over het algemeen asymmetrisch maar, in tegenstelling tot F1, is de bovenzijde van de vleugel bol. Daar stroomt de lucht sneller, wat zorgt voor een drukverschil met de onderkant. Dat resulteert in opwaartse kracht en zo kan een vliegtuig opstijgen. 

Downforceverlies bij het achtervolgen volgens de nieuwe F1-regels

Illustratie: Camille De Bastiani

De relatieve beweging van het asfalt

Tot slot moeten we niet vergeten dat het Venturi-effect niet het enige fenomeen is dat een rol speelt bij grondeffect in de F1. De relatieve beweging van de bodem ten opzichte van het referentiepunt (de rijdende auto) is achterwaarts gericht. Het gevolg daarvan is dat de luchtlaag tussen beide elementen als het ware naar achteren wordt ‘getrokken’, waardoor de lucht nog meer versnelt. Dit versterkt het Bernoulli-effect en zorgt voor nog meer neerwaartse druk.  

Waarom moet grondeffect het inhalen in F1 bevorderen?

De downforce van een Formule 1-wagen werd de afgelopen jaren voornamelijk gegenereerd via vleugels of oppervlakken waar de lucht een neerwaartse druk op uitoefende. De efficiëntie hing af van de kwaliteit van de luchtstroom: vuile lucht leverde minder downforce op dan schone lucht. Venturi-tunnels zijn echter minder gevoelig voor turbulentie en wervelingen in de luchtstroming.

De lucht komt via de diffuser uit de tunnel. De luchtstroming is dan progressief en schoon, waardoor er veel minder turbulentie achter de wagen ontstaat. Het grondeffect is dus veel minder vervuilend voor de luchtmassa achter de auto, wat het effect verder versterkt.

De regels voor 2022 zijn vooral bedoeld om de situatie achter de auto’s te verbeteren. Dat gebeurt tweeledig. Enerzijds door een vereenvoudiging van de vleugels en aerodynamische oppervlakken (en dus het beperken van de downforce die hiermee gegenereerd wordt ten faveure van grondeffect), en via het schrappen van ingewikkelde vinnen en flappen zoals bargeboards (die de turbulentie veroorzaakten). 

Naar schatting bedraagt het verlies aan neerwaartse druk op een afstand van tien meter met de nieuwe regels 18 procent, en slechts 4 procent op twintig meter. Een enorme verbetering ten opzichte van de oude regelgeving. De teams hebben veel minder ruimte om binnen de reglementen met creatieve aerodynamische oplossingen te komen om tijdwinst te behalen. Dat moet resulteren in minder verstorende elementen die de lucht achter de auto’s vervuilen. Uiteraard gaan alle teams op zoek naar mazen in de wet om de concurrentie te slim af te zijn.

Laten we tot slot niet vergeten dat het grondeffect nooit volledig verdwenen is. De 2021-auto’s genereerden ook grondeffect via de onderkant van de vlakke bodemplaat en de diffuser. Weliswaar veel minder dan beoogd met de nieuwe reglementen, maar het concept is niet volledig nieuw voor de teams. Wel zal de hoeveelheid neerwaartse druk die door de Venturi-tunnels gegenereerd wordt vele malen groter zijn, terwijl de downforce die elders van de wagen vandaan komt sterk afneemt.