De cijfers die verbeteringen in de F1-aerodynamica onthullen

In opdracht van Motorsport.com is Chief Technical Officer van de Formule 1 Pat Symonds in de geschiedenis van de aerodynamische efficiëntie gedoken. De Brit probeerde daarbij een vergelijking te trekken met de auto's van toen en nu, maar dat bleek een lastigere opgave dan gedacht. Hij legt zelf uit hoe het onderzoek uitgevoerd is.

Allereerst moeten we vaststellen wat we bedoelen met aerodynamische efficiëntie en hoe we dat uitdrukken. In deze context wordt efficiëntie uitgedrukt als de totale neerwaartse kracht gedeeld door de totale luchtweerstand. Hier komt het eerste probleem. Terwijl het mogelijk (maar moeilijk) was om wat cijfers voor downforce samen te stellen, was het veel moeilijker om cijfers voor luchtweerstand te krijgen - dus zullen we ons hier grotendeels richten op downforce.

Ook moeten we definiëren hoe we downforce gaan gebruiken. Het kan worden uitgedrukt als een kracht, maar dan zou dat afhankelijk zijn van snelheid. Om dit te omzeilen gebruiken ingenieurs een non-dimensial getal dat in de aerodynamicawereld bekend staat als de liftcoëfficiënt - of Cl - waarbij downforce de zogenoemde negative lift is. Dit zou moeten betekenen dat de ene auto direct vergeleken kan worden met de andere. Dat is om twee redenen niet zo eenvoudig. Ten eerste moet je om een Cl te krijgen, deze gelijkstellen aan een referentiegebied. Dat is bij auto's normaal gesproken het frontaal oppervlak. Nu is het frontale oppervlak van een Formule 1-auto net iets minder dan 1,5 vierkante meter, dus veel teams gebruiken 1,5 als referentieoppervlak. Anderen gebruiken een nauwkeuriger getal - zeg 1,47 - terwijl weer anderen zeggen dat het maar een fictief iets is. Wij gaan 1 vierkante meter gebruiken. Dit betekent dat als we onze liftcoëfficiënt bijvoorbeeld 4,5 noemen op basis van 1,5 vierkante meter, dit 6,75 zou zijn op basis van één vierkante meter.

Het wordt echter nog ingewikkelder. We drukken de liftcoëfficiënt graag uit als een vaststaand getal, maar dit getal is natuurlijk afhankelijk van onder andere de rijhoogte van de auto, de stuurhoek en de hoek van de wind. Aerodynamici omzeilen dit door een getal te noemen dat ze op elk individueel geval toepassen. Dat getal is gebaseerd op het effect van de liftcoëfficiënt op de rondetijd. Zo is de luchtweerstand bijvoorbeeld veel belangrijker wanneer het stuur recht staat en de rijhoogte laag is dan wanneer het stuur gedraaid staat en de rijhoogte hoog is. Die omstandigheden heeft een F1-wagen vaak wanneer er een langzamere bocht is, waardoor downforce belangrijker wordt.

De Lotus 72 is één van de eerste auto's met een liftcoëfficiënt en laat zien hoe slecht auto's van toen te vergelijken zijn met die van nu

Foto: Motorsport Images

De windtunnels, waar deze getallen vandaan komen, zijn vanzelfsprekend door de tijd heen nauwkeuriger geworden. Dat geldt ook voor de methodes voor het geven van bruikbare gewogen waarden. Dus, met dit voorbehoud, wat vertelt de geschiedenis ons?

Veel mensen denken dat de auto's met grondeffect uit de jaren 70 enorme downforce hadden, maar naar de maatstaven van tegenwoordig is dat absoluut niet zo. De oudste cijfers die ik kan vinden zijn van een Lotus 72 die gescand en geanalyseerd is in CFD. Dit was een auto zonder grondeffect met een vleugel met een zeer hoge hoogte-breedteverhouding en was vreselijk inefficiënt met een Cl van 0,38 en een luchtweerstand van 0,74. De efficiëntie was daardoor slechts ongeveer 0,8. Het rendement was nog minder, namelijk ongeveer 0,5.

De oudste cijfers die ik kan vinden van een auto met skirts zijn die van de Ensign uit 1981. Die is in CFD geanalyseerd door de Bolton University onder leiding van professor Willem Toet, een zeer ervaren aerodynamicus die vele jaren in de Formule 1 heeft gewerkt. Hieruit blijkt een downforce-coëfficiënt van 2,76 met een luchtweerstand van 1,13, dus de efficiëntie is gestegen naar 2,44. Natuurlijk was dit geen bijzonder succesvolle auto en de dominante Williams FW07 was ongetwijfeld aanzienlijk beter dan dit.

De nieuwe generatie auto's voor 2022 introduceerde veel meer grondeffect en hoewel er aanvankelijk een kleine daling in de prestaties was, benaderen ze nu weer snel de waarden van 2021.

In 1983 werd grondeffect verboden en daalden de cijfers aanzienlijk. Het duurde zelfs vier jaar voordat Cl weer boven de 2,0 uitkwam. Dit was echter ook de tijd dat aerodynamisch onderzoek wetenschappelijker werd en er snel vooruitgang werd geboekt: Cl bereikte in 1994 een piek van meer dan 3,5. De veranderingen in het reglement na Imola '94 zorgden voor een onmiddellijke daling en aan het begin van 1995 was Cl weer terug bij ongeveer 2,1. Vanaf dit punt ging de vooruitgang snel, maar in 1998 werden de auto's smaller waardoor ze, samen met andere beperkingen, terugvielen naar ongeveer 2,25.

Door de tijd bleef het CFD enorm verbeteren en dat resulteerde erin dat eind 2004 het Cl-getal 3,2 had bereikt. Een verkleining van de diffuser voor 2005 zorgde voor een verlies van ongeveer 20 punten, waardoor de Cl terugviel naar 3,0. Daarna werd er gestaag vooruitgang geboekt met ongeveer 10 tot 15 punten per jaar, totdat de extreme regels voor 2009 werden geïntroduceerd die de downforce aanzienlijk hadden moeten verlagen. De beruchte 'dubbele diffuser' - waar met name BrawnGP furore mee maakte - maakte dit ongedaan en tegen het einde van 2009 bleef Cl zelfs boven de 3,0.

De nieuwe regels in 1998 deden het Cl-getal zakken, maar na betere CFD kennis steeg dit getal snel

Foto: Motorsport Images

Voortdurende verbeteringen in technieken van het testen in de windtunnel en verdere verbeteringen in CFD zorgden samen met het gebruik van geblazen diffusers voor een gestage jaarlijkse verbetering van 15 punten. In 2013 had Cl ongeveer 4,6 bereikt. De nieuwe regels voor 2014 zorgden echter voor een terugval naar ongeveer 3,7.

De volgende grote verandering waren de bredere auto's voor 2017. Deze regels gaven meer vrijheid voor aerodynamische ontwikkeling, waardoor er in het eerste jaar 60 punten werden gewonnen en er elk jaar ongeveer 20 punten werden verbeterd, zodat de Cl-waarden van de auto's voor 2021 in de buurt van 5,5 kwamen. De nieuwe generatie auto's voor 2022 introduceerde veel meer grondeffect en hoewel er aanvankelijk een kleine daling in de prestaties was, worden de waarden van 2021 snel weer benaderd. Natuurlijk moeten deze cijfers met de nodige voorzichtigheid worden bekeken. De technieken zijn veranderd - zo wordt pas sinds in de jaren 90 de opwaartse kracht van het wiel gemeten - en natuurlijk kan het gewicht dat verschillende teams toekennen aan de overvloed aan resultaten een diepgaander effect hebben. Toen ik bij Williams werkte, kwam er een aerodynamicus van een rivaliserend team bij ons en hij vertelde ons wat cijfers waar zijn vorige team naar op weg was voor 2014. Ik wist dat we die cijfers niet zouden halen en was erg bezorgd. Uiteindelijk versloegen we zijn vorige team ruimschoots in de strijd bij de constructeurs, dus cijfers zijn maar cijfers. Prestaties, dat is een heel ander onderwerp.