Kiedy patrzymy na samochód Formuły 1, widzimy 4 koła. W rzeczywistości jednak są to tylko wierzchnie warstwy 4 opon oraz 4 dekle zasłaniające felgę. Co więc znajduje się pod nimi i po co inżynierowie idą do kowala? Pora wspólnie przyjrzeć się temu bliżej.
Opony F1
W królowej sportów motorowych opony mają niebagatelne znaczenie. Są one wykonane z kilku mieszanek gumy, a ich poszczególne właściwości determinują zachowanie danego zestawu ogumienia. Temu zagadnieniu poświęciłem jednak inny tekst, dlatego tutaj od razu przejdziemy dalej. Samochód F1 zwykle potrzebuje opon dostosowanych do jazdy po asfalcie. Już 30 maja 2024 r. podczas Red Bull Speed Ways przekonamy się natomiast, jak radzi sobie na żużlu.
1 min
Red Bull Speed Ways - to trzeba zobaczyć!
Maciej Janowski na motocyklu żużlowym kontra David Coulthard w bolidzie Red Bull Racing - kup bilety na Red Bull Sped Ways i przyjdź na stadion Olimpijski we Wrocławiu 30 maja.
Pierwszą różnicę między bolidami Formuły 1 a drogowymi samochodami dostrzegamy już na etapie pompowania opon. W F1 są one wypełnione azotem, a nie zwykłym powietrzem. Oczywiście głównym składnikiem powietrza także jest azot, ale oprócz niego występuje tam wiele innych pierwiastków wpływających na jego właściwości. Prawa fizyki mówią nam, że kiedy ogrzejemy zbiornik z powietrzem, w jego wnętrzu wzrośnie ciśnienie. Z azotem jest tak samo, ale w jego przypadku zmiany ciśnienia będą bardziej równomierne i przewidywalne w całej objętości gazu. Wynika z tego, że wypełniona nim opona będzie się zachowywać stabilniej w różnych temperaturach niż taka napompowana powietrzem.
Jeśli chodzi o ciśnienie gazu w oponach, jego minimalną wartość określa dostawca opon (obecnie jest to Pirelli) przed każdym wyścigiem. Przy jego ustalaniu brane są pod uwagę m.in. przewidywane warunki na torze oraz wybrane na dany weekend mieszanki. Przykładowo przed GP Las Vegas 2023 Pirelli wyznaczyło jako minimum 27,0 psi w przednich oponach i 24,5 psi w tylnych, co przekłada się odpowiednio na 1,86 oraz 1,69 bara. Dla porównania w drogowych autach zaleca się pompowanie opon do ok. 2,1-2,3 bara, przy czym to w tylnych oponach ciśnienie powinno być większe. Tak niskie, zdawałoby się, ciśnienie początkowe w F1 wynika z tego, że opona rozgrzewa się, zatem w czasie jazdy ono wzrasta. Dopiero wtedy uzyskuje ona odpowiednie właściwości. Jest to jeden z powodów, dla których kierowcy rozgrzewają ogumienie, zanim rozpoczną szybką jazdę i dla których na zimnych oponach trudno bronić się przed rywalem na gorących.
Felgi F1 – właściwości i produkcja
Pierwsze bolidy Formuły 1 wyposażone były w felgi szprychowe. Z czasem w ich miejscu pojawiły się felgi z kilkoma szerszymi „ramionami” łączącymi ich środek z częścią zewnętrzną. Początkowo były one odlewane, ale później zaczęto je wykuwać. Współczesne felgi zrobione są ze stopu magnezu, a wykuwa się je z użyciem prasy dysponującej siłą nacisku na poziomie 9 000 ton. Dawniej, kiedy nie stosowano jeszcze dekli, kształt wspomnianych „ramion” był kompromisem pomiędzy wymaganiami inżynierów oraz aerodynamików. Obecnie aspekt ten nie jest już tak istotny. Poszczególne zespoły Formuły 1 mają swoich dostawców felg. Dawniej każda ekipa indywidualnie wybierała, od kogo je kupi, natomiast od sezonu 2022 dostawca jest jeden. Red Bull oraz inne stajnie korzystają więc z produktów firmy BBS. Aby otrzymać gotowy produkt, muszą najpierw przesłać producentowi dane dotyczące zachowania samochodu na torze, obciążenia kół i wielu innych szczegółów, na których podstawie projektowany jest produkt. Celem inżynierów jest w tym momencie stworzenie najlżejszego możliwego obiektu, który zniesie zakładane obciążenia.
Projektanci felg w swojej pracy wykorzystują metodę elementów skończonych, która pozwala im dzięki modelom matematycznym zaproponować taki kształt produktu, który pozwoli przenieść wszystkie możliwe obciążenia pod każdym możliwym kątem, a jednocześnie który będzie wolny od jakichkolwiek zbędnych elementów. Kiedy projekt jest gotowy, przygotowuje się stop magnezu, który – co wyraźnie określa regulamin F1 – musi być jednorodny, tzn. w każdym punkcie swojej objętości musi mieć taki sam skład. Pozwala to uniknąć wad strukturalnych i słabych punktów w konstrukcji felgi.
Ze stopu odlewany jest walec o długości 6 m i średnicy 50 cm, który następnie trafia pod prasę, ściskającą go do rozmiarów felgi. Następnie jest on wykuwany w 5 osiach (dawniej stosowano prasy 3-osiowe) aż do uzyskania docelowego kształtu. Podczas wykuwania na metalowy blok działają duże siły, które powodują naprężenia wewnątrz wytwarzanego elementu. Dlatego kolejnym etapem jest hartowanie felgi. Proces naprzemiennego ogrzewania i chłodzenia pozwala pozbyć się wspomnianych naprężeń, które w przeciwnym wypadku mogłyby rozsadzić ją od środka.
Dostawca felg przywozi swoje produkty wprost na tor, po czym przekazuje je dostawcy opon. Ten nakładana na nie ogumienie, pompuje je do wskazanej wartości, a następnie oddaje danemu zespołowi do dyspozycji.
Przewodzenie ciepła w oponach F1
Dawniej felgi od środka były gładkie, jednak w miarę upływu lat zespoły zaczęły dostrzegać powiązania pomiędzy kształtem ich wnętrza a rozchodzeniem się ciepła wewnątrz koła. Przy krawędziach felg pojawiły się więc różnego rodzaju grzebienie, których zadaniem jest właśnie przewodzenie ciepła w odpowiedni sposób, aby jeszcze bardziej równomiernie nagrzać oponę. Producenci felg muszą to uwzględnić, aby wspomniana prasa mogła wykuć dokładnie taki element, jakiego potrzeba. Każda felga jest bowiem jednoczęściowa i nawet najmniejszy wystający z niej grzebień musi być zaprojektowany i wykuty razem z całą jej resztą.
Montaż koła do bolidu F1
Kompletne koło, tzn. felga z założoną na nią napompowaną oponą musi zostać przykręcona do samochodu. Jeśli – tak jak we współczesnych konstrukcjach – musi się tam pojawić również dekiel, jest to właściwy moment na jego założenie. Dla przyśpieszenia montażu dekle zakładane są na koła wcześniej, a następnie całość mocowana jest do auta za pomocą jednej nakrętki, dokręcanej specjalnym pneumatycznym kluczem w kształcie pistoletu.
Dalsze losy koła
Każdy bolid Formuły 1 używa na raz 4 kół, jednak w rzeczywistości zespoły posiadają ich o wiele więcej. Po zakończonym wyścigu felgi pozbawiane są opon i jadą na kolejny tor, gdzie zostaną połączone z nowym ogumieniem. W międzyczasie oczywiście przeprowadza się ich inspekcję i sprawdza, czy nie wystąpiły w nich jakieś uszkodzenia. Po zakończeniu sezonu natomiast felgę może czekać różny los w zależności od jej stanu. Jeżeli jest jeszcze całkiem dobra, a przy tym w międzyczasie nie zmieni się projekt, można będzie dalej wykorzystywać ją w kolejnym sezonie. Jeśli jest w nieco gorszym stanie, przekazuje się ją mechanikom, którzy z jej użyciem trenują pit-stopy. Jeżeli natomiast nie nadaje się nawet do tego, może być wykorzystana do celów marketingowych, trafić na wystawę jako pamiątka, lub też po prostu zostać zutylizowana.
***
Autor tekstu prowadzi vloga „Ze świata F1” na YouTube.