Downforce

Ergens eind jaren zestig kreeg de autosport zijn grote ketterse gedachte: als een vleugel een vliegtuig omhoog kan houden… schroef er dan een ondersteboven op, en hij houdt een auto omlaag. Alles wat je in vijf lessen hebt geleerd, blijft gewoon gelden — dezelfde vergelijkingen, dezelfde overtrek, dezelfde rekening — nu gewoon gericht op het asfalt. Deze les zet de cursus op zijn kop.

Lift, omgekeerd

Draai de vleugel uit les 3 ondersteboven, en het verhaal spiegelt perfect: lucht die onderaan wordt samengeperst, stroomt snel bij lage druk; de tragere stroom erboven duwt naar beneden, en de "lift" wijst nu naar de weg. Racewagenbouwers houden zelfs dezelfde vergelijking aan en draaien gewoon het teken om — downforce is negatieve lift, berekend met dezelfde $\tfrac{1}{2}\rho v^2 S C_L$. Maar er is één schitterend verschil: een vliegtuigvleugel heeft maar $C_L$ ≈ 0,5 nodig, want het vliegtuig hoeft alleen maar niet uit de lucht te vallen. Een raceauto wil ALLE grip die hij kan krijgen — dus gebruiken racevleugels meerdere geslitste elementen onder agressieve hoeken, en bereiken een C_L van 3 of meer: aerodynamisch gezien zijn de hardst werkende vleugels op aarde die op auto’s.

Waarom zou je een auto eigenlijk omlaag drukken?

Vanwege de bandenfysica uit de F1-cursus (het is de moeite waard om het hier te herhalen): de grip van een band is evenredig met de belasting die hem tegen de weg drukt, $F = \mu N$. Voeg belasting toe met gewicht en je wint niets — de extra massa moet zelf ook de bocht door. Voeg belasting toe met lucht en de grip is gratis, zonder traagheid erbij. Bij 250 km/h wekt een moderne F1-auto downforce op ter waarde van 2–3 keer zijn eigen gewicht — hij zou, befaamd genoeg, tegen een plafond kunnen rijden — en zijn bochtsnelheid verdubbelt of verdrievoudigt daardoor ruwweg. Elke bocht die vol gas wordt genomen terwijl het eigenlijk een remzone zou moeten zijn, is deze vergelijking die zich uitbetaalt.

En omdat downforce schaalt met $v^2$, verschijnt hij precies waar hij nuttig is: nauwelijks merkbaar in de stad, enorm in snelle bochten. Diezelfde schaling heeft een donkere kant — een coureur die zich vastlegt op een bocht van 250 km/h, vertrouwt op grip die alleen bij 250 km/h bestaat. Verlies snelheid halverwege de bocht, of verlies de zuiging van de vloer voor een fractie van een seconde, en de grip verdwijnt ermee.

Het prijskaartje

Les 5 schreef de rekening al: lucht met geweld ombuigen kost weerstand — en de autosport betaalt die met plezier. De $C_d$ van ~0,9 van een moderne F1-auto zou een hatchback uit de jaren tachtig beschamen, en bij topsnelheid duwt de auto zich door een muur van zijn eigen makelij, met honderden pk’s die alleen aan zijn vleugels opgaan. De hele aerodynamische geschiedenis van de sport — van de eerste ruwe stutten, via ground effect, tot DRS — is één lang gevecht over deze wisselkoers: hoeveel snelheid in een rechte lijn is een bocht waard? Het antwoord, op bijna elk circuit ooit gebouwd: heel veel. En er is één manier om downforce veel goedkoper te krijgen — de vloer. Volgende les.