Bolid F1: Z czego się składa? Wszystko, co powinieneś wiedzieć

Z czego składa się bolid F1?  Podwozie/monokok

Cały bolid F1 jest zaprojektowany wokół tzw. podwozia (z ang. chassis) i jego centralnej części – monokoku (z ang. survival cell, monocoque; pot. tub). Ten ważący 35 kg element, jest zaprojektowany tak, aby wytrzymać najcięższe uderzenia, a tym samym chronić zdrowie i życie kierowcy. W obrębie monokoku znajdują się m in. zbiornik paliwa i elementy baterii. Mocowane do niego jest przednie zawieszenie, standardowe strefy zgniotu oraz jednostka napędowa wraz ze skrzynią biegów.

Monokok zbudowany jest z min. 60 warstw giętkiego włókna węglowego, powlekających aluminiowy szkielet (będący siatką przypominającą plaster miodu). Zanim trafi on do bolidu, przechodzi on 600 oddzielnych operacji laminowania, 30 próżniowego odsysania powietrza oraz 10 pełnych cykli utwardzania w autoklawie (będącym w uproszczeniu hermetycznym piecem).  Więcej szczegółów o procesie produkcji podwozia i monokoku zdradził McLaren w swoim artykule sprzed dwóch lat.

Na bocznych strefach zgniotu, które są najbardziej narażone na wypadek, monokok jest dodatkowo zabezpieczony mającą 6mm grubości warstwą włókna węglowego oraz Zylonem – materiałem używanym w kamizelkach kuloodpornych. Ma on właściwości absorbujące uderzenia i znajduje zastosowanie także w zagłówku okalającym głowę kierowcy w kokpicie.

Regulacje FIA wymagają, aby każdy zespół przeprowadził przed sezonem testy zderzeniowe z wykorzystaniem swojego podwozia i monokoku.

Po raz pierwszy, zbudowany w całości z włókna węglowego monokok pojawił się w bolidzie McLaren MP4/1 z 1981 roku.

Kokpit

Serce monokoku i „centrum dowodzenia” kierowcy F1. Znajdują się w nim: odlewany na wymiar fotel, pedały oraz kierownica.

Kokpit jest bardzo ciasnym elementem. Ma tylko 52 cm szerokości w miejscu gdzie znajdują się ramiona kierowcy i zwęża się do zaledwie 35 cm przy jego stopach. Dzięki temu nie tylko zwiększa bezpieczeństwo kierowcy, ale ma też znaczący wpływ na aerodynamikę bolidu i dystrybucję masy.

Kierowca siedzi w kokpicie niemal całkowicie w pozycji horyzontalnej, mając stopy powyżej linii bioder. Dokładnie wyjaśnił to Nico Rosberg w filmie na swoim kanale YouTube.

Kierownica

Kierownicę w bolidzie F1 przygotowuje się w oparciu o odlew zaciśniętych dłoni kierowcy i zgodnie z jego preferencjami.

W ciągu lat jej wygląd i funkcjonalność ulegały znacznym zmianom. Obecnie, standardowa kierownica składa się z umieszczonego pośrodku ekranu LED, uchwytów po bokach oraz całej gamie przycisków i pokręteł, służących do regulacji parametrów bolidu w trakcie jazdy. Do najważniejszych z nich należą: balans hamulców, ustawienia jednostki napędowej oraz dyferencjału.

Nie mniej ciekawie prezentuje się tył kierownicy. Z reguły znajdują się tam łopatki zmiany biegów i sprzęgła (wykorzystywanego przy ruszaniu z miejsca, czyli zwykle na starcie i w pit stopie). Niekiedy można tam również umieścić przyciski funkcyjne, tak jak w kierownicy Lewisa Hamiltona, który wykorzystuje osobny guzik przy procedurze startu, co wielokrotnie widać na onboardach z jego bolidu.

Dokładną analizę swojej kierownicy, wraz z omówieniem poszczególnych funkcji przeprowadził zespół Mercedesa na kanale YouTube.

Halo

Począwszy od sezonu 2018, do F1 wprowadzono system Halo. Składa się on z tytanowej ramy otaczającej głowę kierowcy oraz poprzecznego elementu podtrzymującego konstrukcję. Ma on na celu zapobiec urazom głowy w wyniku wypadku.

System waży ok. 7 kg i jest w stanie wytrzymać nacisk rzędu 12 ton. To mniej więcej tyle ile waży autokar wraz z pasażerami i bagażem.

Więcej o szczegółach i historii Halo pisaliśmy w poświęconym mu artykule, do którego odnośnik znajdziecie poniżej.

Jednostka napędowa: Ile koni ma bolid F1?

Od 2014 roku, Formuła 1 korzysta z turbodoładowanych, hybrydowych silników V6 o pojemności 1,6 litra. Składają się one z:

Obecnie bolidy F1 mają moc ok. 1000 KM, z czego za 700 KM odpowiada silnik spalinowy, a za pozostałe 300 KM – systemy elektryczne (MGU-H i MGU-K).

Jednostka napędowa jest umiejscowiona bezpośrednio za monokokiem i stanowi strukturalny element bolidu do którego przymocowane są: skrzynia biegów, tylne zawieszenie i koła.

Za chłodzenie jednostki napędowej odpowiadają dwie ogromne chłodnice umieszczone po bokach bolidu oraz jedna mniejsza, której wlot powietrza znajduje się nad głową kierowcy. W trakcie jazdy, przepływa przez nie ok. 650 litrów powietrza na minutę.

Więcej o historii silników hybrydowych w F1, szczegółach, regulacjach technicznych i ich przyszłości w F1 pisaliśmy w artykule, do którego odnośnik znajdziecie poniżej.

Skrzynia biegów

Wraz z wprowadzeniem nowych, hybrydowych jednostek napędowych do F1 w 2014 roku, zdecydowano się również na zmianę skrzyń biegów.

Obecnie w bolidach F1 używa się ośmiobiegowej, półautomatycznej, sekwencyjnej skrzyni biegów. Umożliwia ona zmianę biegów w ciągu kilkudziesięciu milisekund, co sprawia, że są to jedne z najbardziej zaawansowanych takich systemów na świecie. Dla porównania, w samochodach osobowych, które wyposażone są w manualne skrzynie synchronizowane, najszybsi zmieniają bieg w około pół sekundy.

Wbrew krążącej opinii, bolidy F1 mają bieg wsteczny. Co więcej, jest on wymagany przez regulamin techniczny FIA.

Aerodynamika: Czym jest efekt przypowierzchniowy, docisk i opór?

Wraz z rewolucją techniczną w 2022 roku, doszło do znacznego uproszczenia aerodynamiki bolidów F1. Przynajmniej tej widocznej gołym okiem. Do lamusa odeszły m.in. skomplikowane projekty sekcji bocznych (tzw. „bargeboardy”), które w połączeniu z innymi elementami nadwozia generowały ogromne ilości brudnego powietrza. To z kolei znacząco utrudniało podążanie za rywalem i walkę „koło w koło” w większości krętych sekcji torów.

W imię lepszego i bardziej widowiskowego ścigania, FIA drastycznie zmieniła regulacje, sięgając po pomysł sprzed ponad 40 lat – efekt przypowierzchniowy. Koncept ten zakłada wykorzystanie systemu kanałów w podłodze bolidu, których konstrukcja powoduje gwałtowne przyspieszenie wpadającego w nie powietrza. To z kolei prowadzi do spadku jego ciśnienia, a tym samym wytworzenia docisku, który ma rekompensować utratę spowodowaną nowymi regulacjami aerodynamicznymi.

Od docisku zależy przyczepność aerodynamiczna bolidu. Im jest jej więcej, tym szybciej można pokonywać zakręty toru. Z drugiej strony, wszelkie elementy aerodynamiczne zawsze tworzą dodatkowy opór, spowalniający bolid (szczególnie na prostych). Ideą stojąca za projektowaniem bolidów w F1, jest więc wytworzenie jak największej ilości docisku, przy jak najmniejszym oporze.

Ważną regułą w świecie aerodynamiki jest zasada „im szybciej jedziesz, tym więcej docisku generujesz”. Z tego powodu, co zaskakujące, przejechanie zakrętu bolidem F1 z niską prędkością, może być znacznie trudniejsze niż przejechanie go z gazem w podłodze. Między innymi dlatego większość z nas, gdyby wsiadła za kółko bolidu, nie zdołałaby pokonać nawet pierwszego zakrętu toru.

Przy prędkościach maksymalnych, bolid F1 jest w stanie wygenerować ponad 2500 kg docisku. To mniej więcej tyle, ile waży mały słoń. Czysto teoretycznie, taka ilość docisku wystarczyłaby do tego, aby jechać bolidem do góry nogami.

Najważniejsze elementy aerodynamiczne

Do najważniejszych elementów aerodynamicznych bolidu należą:

• Przednie skrzydło – pierwszy i najważniejszy element styku bolidu ze strugą powietrza. Jego kształt definiuje całą koncepcję aerodynamiczną samochodu. Porządkuje on wpadające powietrze i kieruje je na inne elementy aerodynamiczne.
• Podłoga – po rewolucji technicznej z 2022 roku, najbardziej zaawansowany element aerodynamiczny bolidu. Zbiera mocno zawirowane strugi powietrza z przedniego skrzydła i kół, porządkuje je oraz generuje lwią część docisku. Połączony z nią jest dyfuzor, który działa w podobny sposób, jednak odpowiada za generowanie docisku wyłącznie w tylnej sekcji bolidu.
• „Sidepody” – znajdują się po bokach kokpitu kierowcy. Umieszczone są w nich chłodnice oraz struktury zderzeniowe, zabezpieczające zawodnika w razie wypadku. Nie odpowiadają bezpośrednio za docisk, jednak od ich kształtu zależy ilość oporu, jaki generuje bolid oraz przepływ strug powietrza wzdłuż poszycia bolidu.
• Tylne skrzydło – podobnie jak dyfuzor, w głównej mierze odpowiada za docisk tylnej osi samochodu. Wyłapuje również strugi powietrza podążające wzdłuż poszycia bolidu. Począwszy od 2011 roku, jest wyposażone w system DRS (z ang. Drag Reduction System) mający za zadanie zmniejszyć opór na prostych, a tym samym ułatwić wyprzedzanie. Więcej o sposobie działania i użycia tego systemu pisaliśmy w artykule poniżej.

Dynamiczny rozwój aerodynamiki w F1 ma znaczący wpływ nie tylko na osiągi bolidów, ale także przygotowanie fizyczne kierowców. Im szybciej można przejechać dany zakręt, tym większe siły oddziałowują na ciała zawodników. W najbardziej ekstremalnych przypadkach, takich jak zakręt Copse na Silverstone, przeciążenia mogą wynosić prawie 6G. Odpowiada to bocznemu naciskowi rzędu 40-50 kg, któremu szyja kierowcy musi się przeciwstawić. Dla przykładu, gdy Lewis Hamilton zaczynał swoją karierę w F1 (w 2007 roku) jego rozmiar kołnierzyka wynosił 35 cm. W 2020 roku było to już 45 cm.

Zawieszenie

Do głównych zadań zawieszenia należy połączenie nadwozia z kołami. Jakby to absurdalnie nie brzmiało, jest to konieczne aby móc poruszać się samochodem po drogach. A co gdy tym samochodem jest bolid F1?

Zawieszenie w F1 w przeciwieństwie do aut drogowych nie ma na celu zapewnienia komfortu jazdy. Najważniejszym jego zadaniem jest dostosowanie go tak, aby bolid był przewidywalny w prowadzeniu, opony odpowiednio pracowały oraz spełniało swoje zadanie aerodynamiczne, wpisując się w koncepcję bolidu. Dodatkowo musi wytrzymać kolosalne siły na nie oddziałowujące.

W bolidzie F1 można wyróżnić 3 rodzaje elementów zawieszenia:

• Zawieszenie wewnętrzne (z ang. inboard suspenion) – należą do niego sprężyny, amortyzatory, mocowania oraz stabilizatory poprzeczne.
• Zawieszenie zewnętrzne (z ang. outboard suspension) – wbrew nazwie nie jest widoczne na pierwszy rzut oka. Składają się na nie: osie, łożyska oraz mocowania kół.
• Elementy aerodynamiczne zawieszenia – są to widoczne na wierzchu struktury wahaczy i układu kierowniczego. Zaprojektowano je tak, aby spełniały nie tylko swoją funkcję mechaniczną, ale też aerodynamiczną – generowały docisk.

Dodatkowo, wyróżnia się dwie koncepcje montażu zawieszenia w F1:

• Push-rod – bardziej popularne, wręcz standardowe rozwiązanie pozwalające w swoich założeniach wypchnąć więcej powietrza poza obrys bolidu, zmniejszając tym samym jego opór.
• Pull-rod – rozwiązanie wracające do łask od sezonu 2022, ze względu na nowe regulacje techniczne. Pozwala skierować większą ilość powietrza pod spód bolidu, zwiększając tym samym wydajność podłogi.

Aby zwiększyć wytrzymałość zawieszenia i ułatwić jego naprawę mechanikom, elementy ukryte wewnątrz podwozia zazwyczaj są metalowe. Natomiast części na zewnątrz, w większości są zbudowane z włókna węglowego.

Gdyby wytrzymałość i stopień skomplikowania to było za mało, zawieszenie jako element często narażony na uszkodzenia musi spełnić szereg rygorystycznych norm wymaganych przez FIA. Między innymi muszą przez nie przebiegać linki zabezpieczające koła przed odpadnięciem w razie wypadku.

Opony

Sezon 2022 oznacza zmiany nie tylko w zakresie aerodynamiki, ale także ogumienia. Zastosowanie 18-calowych opon w miejsce stosowanych do 2021 roku 13-calówek, wiąże się ze zwiększeniem średnicy felg. Nowe koła wyposażono również w kołpaki, które są kolejnym elementem mającym za zadanie ograniczenie generowania brudnego powietrza przez bolid. Zwiększono również średnicę opon do 720 mm (do 2021 roku było to 670 mm). Utrzymano z kolei szerokość kół, wynoszącą: 305 mm z przodu i 405 mm z tyłu.

Podobnie jak w ostatnich latach, na sezon 2022, oficjalny dostawca opon w F1 – Pirelli, przygotował 5 rodzajów opon na suchy tor (tzw. slicków – opon pozbawionych bieżnika), oznaczonych numerami od C1 (mieszanka najtwardsza) do C5 (mieszanka najmiększa). Na każdą rundę Grand Prix, Pirelli wybiera 3 spośród 5-ciu dostępnych mieszanek, które zespoły będą mogły używać w dany weekend. Następnie, zgodnie z ich stopniem twardości, są one oznaczane kolorami:

• Biały – opony twarde;
• Żółty – opony pośrednie;
• Czerwony – opony miękkie.

Im miększa mieszanka opony, tym więcej przyczepności ona generuje, a to przekłada się na prędkość w zakrętach. Za to im twardsza opona, tym dłużej zachowuje ona swoje własności jezdne i pozwala na dłuższy stint.

Pirelli zapewnia zespołom także opony przystosowane do warunków deszczowych. Są to opony bieżnikowane, oznaczone kolorami:

• Zielony – opony przejściowe, używane w lekkim deszczu, odprowadzają do 30 l wody na sekundę przy prędkości 300 km/h;
• Niebieski – opony deszczowe, używane w czasie mocnego deszczu, odprowadzają do 65 l wody na sekundę przy maksymalnej prędkości.

Pirelli zapewnia kierowcom po 13 kompletów opon na suchy tor na każdą rundę Grand Prix. Zespoły otrzymują po 8 miękkich, 3 pośrednich i 2 twardych kompletów na każdy samochód.

Każdy kierowca jest zobowiązany do użycia min. 2 różnych mieszanek opon w trakcie wyścigu (nie dotyczy to wyścigów, w których kierowca skorzystał z opon przejściowych lub deszczowych).

Hamulce

Przyspieszenie i prędkości maksymalne bolidów F1 są imponujące, ale jeszcze większe uznanie należy się hamulcom stosowanym w królowej motorsportu. Są one tak mocne, że kierowcy w trakcie dohamowania mogą odczuwać przeciążenia sięgające 5G.

W bolidach F1 w przeciwieństwie do większości aut drogowych stosuje się karbonowe tarcze hamulcowe, jednak wytrzymują one zaledwie 800 km, zamiast 50 000 km. Każda z nich waży jedynie 1,2 kg i jest pokryta 1,400 otworami wentylującymi, które mają za zadanie odprowadzić temperaturę sięgającą 1000 °C. Każdy zespół zużywa ok. 500 tarcz hamulcowych w sezonie.

Więcej o hamulcach w F1 dowiecie się z artykułu poniżej.

Paliwo: Ile pali bolid F1?

Paliwo w F1 podlega licznym restrykcjom i jest stale kontrolowane przez delegatów FIA. Zgodnie z regulaminem, bolid F1 może zużyć nie więcej niż 110 kg (około 145 litrów) paliwa podczas wyścigu. Dodatkowo, od sezonu 2020 przepływ paliwa mierzą aż 2 przepływomierze. Ma to zapobiec eksploatowaniu szarych stref, o co posądzane było Ferrari w 2019 roku.

Bak paliwa w bolidzie F1 znajduje się tuż za monokokiem i zbudowany jest z materiałów wykorzystywanych w przemyśle militarnym. Ma to zapobiec wyciekom paliwa podczas wypadków.

Do produkcji paliwa producenci mogą używać jedynie związków chemicznych, dozwolonych w produkcji paliwa drogowego.

Od 2022 roku zwiększono ilość bioetanolu w paliwie wykorzystywanym w F1 do 10%. Dotychczas było to 5%.

Współczesne samochody F1 spalają około 40 l/100 km, co choć wydaje się kolosalną liczbą, jest znacznie lepszym wynikiem niż w przeszłości. W początkowych latach królowej motorsportu, samochody spalały prawie 190 l/100 km.

Ile waży bolid F1?

Począwszy od sezonu 2022, minimalna dozwolona masa bolidu F1 wynosi 798 kg łącznie z kierowcą. Jest to wzrost, aż o 46 kg w porównaniu do roku poprzedniego. Masa paliwa nie jest liczona do tego limitu.

Ile kosztuje bolid F1?

Według szacunkowych doniesień, przeciętny koszt gotowego do jazdy bolidu F1 wynosi min. 13,3 miliona dolarów.

Choć kwota robi wrażenie, warto zauważyć, że jest ona stosunkowo niewielka w porównaniu do kosztów jakie największe zespoły ponoszą rozwijając swój bolid. Z raportów finansowych Mercedesa opublikowanych pod koniec 2018 roku wynika, że od momentu wprowadzenia turbodoładowanego V6 do F1, dział silnikowy zespołu z Brackley wydał na rozwój swojej jednostki napędowej ponad 1,2 miliarda dolarów. Koszt rozwoju całego bolidu jest z pewnością znacznie większy.