Technik und angewandte Physik in der Formel 1

Technik und angewandte Physik

in der Formel 1

Rillenreifen

Keiner mag Rillenreifen. Die Fahrer schimpfen, die Ingenieure klagen, und selbst Bridgestone verwünscht die gerillten Gummiwalzen. Trotzdem kehrt die Formel 1 nicht zu den Slicks zurück. FIA-Präsident Max Mosley, der Erfinder der Rillenreifen, verteidigt sein Erbe an den Sport: "Sie sind der effizienteste Weg, die Kurvengeschwindigkeiten unter Kontrolle zu halten.'

Oberflächlich betrachtet hat Mosley Recht. Vergleicht man über die letzten zwei Jahre die Trainingsbestzeiten von Silverstone und Hockenheim, dann fällt eines sofort ins Auge: Die Rundenzeiten sind gestiegen.

Silverstone ist eine Rennstrecke, auf der die Autos mit relativ viel Anpressdruck fahren. 1997 stand Jacques Villeneuve mit dem slickbereiften Williams-Renault mit 1.21,598 Minuten auf der Pole-Position. Ein Jahr später hatten sich die Rahmenbedingungen geändert. Drei Rillen vorn und vier Rillen hinten reduzierten die Haftung. Der Trainingsschnellste Mika Häkkinen fuhr 1.23,271 Minuten, also 1,6 Sekunden langsamer als im Vorjahr. Die gleiche Zeitspanne verlor der McLaren-Pilot durch die Einführung härterer Gummimischungen und einer vierten Rille in der Lauffläche der Vorderreifen. Häkkinens Zeit in diesem Jahr: 1.24,804 Minuten. Auf Villeneuves 97er-Wert fehlen somit 3,2 Sekunden.

In Hockenheim, einer Highspeed-Strecke mit extrem wenig Abtrieb, ging der Verfall der Rundenzeiten zäher voran. Von 1997 (1.41,873 min) auf 1998 (1.41,838 min) stagnierte die Zeit des Trainingsschnellsten. In diesem Jahr blieb immerhin eine Sekunde liegen. Häkkinen pfeilte sich in 1.42,950 Minuten um den 6,8 Kilometer langen Kurs.

Ziel erreicht? Mosley sagt ja. Geschwindigkeitsmessungen und Sektorzeiten sprechen jedoch eine andere Sprache. Zugegeben: Die Rennautos wurden insgesamt langsamer. Der Trugschluss dabei: aber nur in den langsamen Passagen, wo der Grip mehr vom Reifen als von der Aerodynamik bestimmt wird. Hier trägt die Tempobremse nichts zur Sicherheit bei. Ob ein Auto mit 90 oder 110 km/h von der Strecke fliegt, macht bei dem Sicherheitsstandard moderner Formel 1-Boliden keinen Unterschied.

Dort, wo es gefährlich wird, sind die Formel 1-Renner praktisch so schnell wie eh und je. Der Verlust an Haftung über die geringere Aufstandsfläche der Reifen wird bei hohen Geschwindigkeiten durch die deutlich effizientere Aerodynamik kompensiert. Beispiel Silverstone: In Stowe Corner misst Benetton 180 km/h (1999) statt 185 km/h (1997). Überproportional sanken die Geschwindigkeiten in der langsamen Luffield-Kurve von 106 km/h (1997) auf 98 km/h (1999).

Generell wird heute mit mehr Flügel gefahren als noch vor zwei Jahren.

Auf den Geraden sind die Fahrzeuge wegen der von zwei auf 1,80 Meter verringerten Breite, der schmaleren Reifen und der um 40 PS stärkeren Motoren trotzdem schneller denn je. Beispiel Hockenheim: Der Top-speed stieg von 349,5 auf 355,7 km/h. Im zweiten Sektor, der von der ersten Schikane bis Einfahrt Motodrom reicht und drei lange Geraden beinhaltet sind die 99er-Formel 1-Autos mit 55,053 Sekunden sogar um 0,8 Sekunden schneller als ihre Vorgänger mit Slicks (55,807 Sekunden).

Beim Bremsen werden nach wie vor Verzögerungswerte von bis zu fünf g erreicht. Einerseits weil die Aerodynamik die Autos wirksamer auf die Straße presst. Andererseits, weil die Reifen hauptsächlich erst dann an Grip verlieren, wenn die Rillen quer zur Fahrtrichtung stehen. Beim Bremsen tritt das Phänomen auf, dass sich die in Längsrichtung verlaufenden Rillen durch den Aufstandsdruck zusammenziehen. Problem dabei: Das Blockieren der Räder kündigt sich für den Fahrer kaum an, was die Unfallrate erhöht .

Michael Schumachers Unfall ist das beste Beispiel dafür, dass Mosleys Theorie nicht funktioniert. Der Bremsdefekt bahnte sich bei 306 km/h an. Villeneuve wurde 1997 mit Slicks an der gleichen Stelle mit 300 km/h gestoppt. Also langsamer!
Jean Alesi rutschte im Training von Magny-Cours mit 206 km/h quer von der Bahn. Weil die Rillenreifen kaum verzögerten, flog der Sauber fast ungebremst in den Reifenstapel. Und da kommt Bernie Ecclestones Argument zum Tragen: "Weniger Haftung bedeutet mehr Unfälle und weniger Verzögerung, wenn sich das Auto dreht.' Die Statistik beweist, dass es noch nie so viele Dreher und Unfälle gab wie in diesem Jahr. Williams-Technikchef Patrick Head weiß, warum: "Die heutigen Fahrzeuge bewegen sich in einem schmalen Fenster. Wenn das Heck über ein bestimmtes Maß ausschwenkt, nützen alle Korrekturen am Lenkrad nichts mehr. Dreher, die früher noch abgefangen wurden, enden jetzt unweigerlich im Kiesbett.'

Auf den Hochgeschwindigkeitsstrecken Hockenheim und Monza werden die Reifen zum Risikofaktor. Dort, wo mit Mini-Flügeln operiert wird, fehlt neben dem mechanischen Grip auch noch der aerodynamische Abtrieb. Die schwammige Konstruktion der Reifen und die Rillen verschlechtern die Seitenführung selbst auf den Geraden. David Coulthard: "Wenn ich eine Hand vom Lenkrad nehme, um im Cockpit etwas einzustellen, versetzt das Auto um zwei Meter.' Fällt der Reifendruck unter 17,5 PSI (1,21 bar), kann sich die Lauffläche von der Karkasse lösen. Rillenreifen reagieren viel kritischer auf Überhitzung.

Die Fahrer haben bereits mehrere Kampagnen zur Rückkehr von Slicks gestartet und sind jedes Mal gescheitert. Weil sie die falschen Argumente vortragen. Wer
fehlenden Fahrspaß ins Feld führt, beißt bei Mosley auf Granit. Auch das Überholproblem hat mit Rillenreifen wenig zu tun. Überholen ist aus aerodynamischen Gründen ein Gewaltakt. Wer sich an ein vorausfahrendes Auto ansaugen will, braucht zwei Dinge: Aerodynamisch ineffiziente, aber stabile Autos. So wie in der CART-Serie.

In der Formel 1 ist das Gegenteil der Fall. Die Autos sind extrem effizient und spenden deshalb kaum Windschatten. Weil sie die kleinste Anderung in der Anströmung der Luft aus dem Gleichgewicht bringt, sind die modernen Formel 1-Renner aerodynamisch instabil.

Mosleys Votum für Rillenreifen basiert neben dem Sicherheitsargument auf einem weiteren Irrglauben. Der FIA-Präsident will die Formel 1 näher an Straßenautos heranrücken. Genau das Gegenteil sollte der Fall sein. Die Faszination der Formel 1 besteht darin, dass die Rennwagen ultimative Fahrmaschinen sind. Möglichst weit weg vom Pkw. Wozu gibt es Tourenwagen? Für Fans, die Rennen mit Pkw-ähnlichen Autos sehen wollen. Ecclestone fordert deshalb: "Zurück zu den Slicks. Das Experiment Rillenreifen hat sich nicht ausgezahlt.'

Regen-Abstimmung

Bei Regen muss die Abstimmung (engl.: Setup) der Formel-1-Rennautos im Vergleich zu trockenen Bedingungen, Wärme und Sonnenschein komplett modifiziert werden. Und dies möglichst im Eiltempo: In rund 15 Minuten bewältigen die Top-Teams einen Umbau von 'trocken' auf 'nass'. Das wichtigste dabei ist, eine maximale Bodenhaftung (Abtrieb) zu erreichen. Die Autos fahren dann mit 'viel Flügel', werden also stärker auf die Straße gepresst. Die Folge: Größere Sicherheit, aber Geschwindigkeitsverlust.

Auch die Motor-Elektronik wird anders programmiert. Um das Durchdrehen der Räder bei Nässe zu verhindern, kappt man dem Triebwerk die Leistungsspitzen. Für jede Streckenbedingung gibt es bestimmte Kennfelder ('Motor-Mapping'), bei Regen verringert man das Drehmoment und wählt beim Ansprechverhalten des Motors eine 'Soft-Variante'.

Als Folge müssen auch Dämpfer, Stabilisatoren und Federn weicher abgestimmt werden. Weil das Auto, u.a. durch längere Federwege, vertikal stärker schwingt, muss die Bodenfreiheit (Abstand zwischen Bodenplatte und Fahrbahn) erhöht werden. Dies gilt auch für den Reifendruck, denn bei Regen ist es meist auch kälter. Die Luft in den schlauchlosen Reifen dehnt sich weniger aus, weil die Pneus nicht ihre optimale Betriebstemperatur erreichen.

Aquaplaning ist auch in der Formel 1 ein Reizwort. Trotz Regenreifen droht - meist in Bodensenken, wo sich Wasser staut - das plötzliche, unkontrollierbare 'Wegschwimmen' der Autos. Die stark profilierten Pneus sollen zwar auch bei Nässe sichere Runden mit Tempo 300 ermöglichen. Doch bei Wolkenbrüchen helfen oft auch die Rillen nicht mehr, obwohl ein einziger Regenreifen pro Sekunde

26 Liter Wasser 'wegschaufeln' kann.

McLarens aerodynamische Tricks

1999 in Melbourne fuhr McLaren-Mercedes bis zum Ausfall wie vom anderen Stern. Die Silberpfeile harmonieren besser mit den Reifen als Ferrari. Und sie haben das aerodynamisch bessere Konzept.

Michael Schumacher ist ein schlechter Schauspieler. Sein Mienenspiel verrät meistens ziemlich genau seinen augenblicklichen Gemütszustand. Wenn sich sein Blick verfinstert wie in Melbourne, weiß man: Die Lage ist ernst.

Nicht, daß ihn die vielen Pannen während des Rennens arg gestört hätten. Darüber tröstete er sich schnell hinweg. Vielmehr bewegte ihn die Frage, warum McLaren-Mercedes zum Saisonstart wieder einmal das schnellere Rennauto hat. Lag es nur daran, daß Ferrari die Reifen nicht auf Betriebstemperatur brachte, oder versteckt sich der Fehler bei den Roten auch im Konzept?

Melbourne ist eine eigenartige Strecke. 'Glatter Asphalt, kurze Kurvenradien. Der Reifen hat nie die Chance, sich vernünftig zu erwärmen', erinnert sich Ex-Pilot Gerhard Berger. Jacques Villeneuve blamierte 1997 die Konkurrenz mit einem Trick. Ein halbvoller Tank in der Qualifikation sorgte für hinreichende Gummitemperatur und war der Schlüssel zu seinem 2,1-Sekunden-Vorsprung.

Bei den vier Melbourne-Rennen seit 1996 fällt auf: Ein Auto kam jeweils mit dem Phänomen Melbourne besser zurecht als alle anderen, was in riesigen Abständen resultierte. Und dieses eine Auto - ob Williams oder McLaren - stammte jeweils aus der Feder eines Konstrukteurs: Adrian Newey.

Wieviel von dem 1,3-Sekunden-Rückstand im Training an der Abstimmung des Autos auf die Reifen lag und wieviel davon konzeptionell bedingt ist, wird für Ferrari zu einer schicksalhaften Frage. Eine fehlerhafte Abstimmung läßt sich korrigieren, ein Defizit in der Aerodynamik nicht.

Die Hilflosigkeit von Ferrari in Melbourne zeigt sich in der unterschiedlichen Gummiwahl. Michael Schumacher wurde mit der harten Mischung ins Gefecht geschickt, Irvine mit der weichen. Er spielte das Versuchskaninchen. Ironie des Schicksals: Testfahrer Irvine gewann mit Reifen, von denen man annahm, sie würden auf längerer Distanz Auflösungserscheinungen zeigen.

Der Melbourne-Sieger äußerte den Verdacht, daß McLaren von Ferrari ein bißchen mehr als nur das glücklichere Händchen beim Abstimmen des Autos trennt. 'Wir haben uns von den guten Ergebnissen zu Saisonende 1998 blenden lassen, weil uns der Goodyear-Faktor zum Schluß eine Sekunde brachte. Aerodynamisch war McLaren immer besser.'

Die beiden Topteams der Formel 1 unterscheiden sich schon in ihrer Philosophie. Der McLaren MP4/14 ist eine Revolution, der Ferrari F399 nur eine Evolution. McLaren gab dem puren Speed Priorität, Ferrari der Standfestigkeit. McLaren-Chef Ron Dennis glaubt, daß sich Zuverlässigkeit schneller finden läßt als Speed.

Newey lieferte das fast perfekte Rennauto ab, das sich, wie bei seinen Kreationen üblich, wahrscheinlich kaum noch verbessern läßt. Rory Byrne und Ross Brawn konstruierten einen Bausatz, der Basis für geplante Entwicklungsschritte ist.

Die Silberpfeile verfügten in Melbourne als einzige sowohl über eine gute Traktion als auch über ein passables Einlenkverhalten. Bei den Gegnern ließ entweder das eine oder das andere oder schlimmstenfalls beides zu wünschen übrig.

Das, was den McLaren MP4/14-Mercedes von den Konkurrenzfabrikaten unterscheidet, ist der Umkehrschritt zum letzten Jahr. Gewicht wanderte von vorn nach hinten.

Das Cockpit und mit ihm die Seitenkästen, der Tank und die Kühler rückten Richtung Hinterachse. Während sich beim Ferrari die Kopfstütze exakt in der Mitte zwischen Vorder- und Hinterachse befindet, liegt das gleiche Bauteil beim McLaren um mindestens 15 Zentimeter dahinter.

Der kompakte Mercedes-Motor (35 Millimeter kürzer als der Ferrari V10) und der auf Maximalbreite (800 Millimeter) angelegte Benzintank samt integriertem Ölreservoir unterstützen das Konstruktionsprinzip, die schweren Teile des Autos auf engstem Raum und in tiefen Lagen zu konzentrieren. Mika Häkkinen bestätigt: 'Fährt sich wie ein Go-Kart.'

Die Spione, die das Gras wachsen hören, sprechen beim McLaren nicht mehr von 40, sondern von 70 Kilogramm Untergewicht. Um das Auto dann auf die 600 Kilogramm Mindestgewicht zu hieven, sind extrem teure, weil in der Natur selten vorkommende Materialien als Ballast nötig. Sie werden am Unterboden vertäut. 'Diese 70 Kilogramm', weiß Stewart-Konstrukteur Gary Anderson, 'kosten 50 000 Pfund.'

Der Newey-Kunstgriff beschränkt sich nicht nur darauf, mit Gewicht im Heck die Traktion zu verbessern. Das hätte er auch mit Ballast bewerkstelligen können. Entscheidend sind die aerodynamischen Freiheiten, die ihm ein zurückversetztes Cockpit verschafft.

Die Fahrerposition legt den Rest des Chassis fest. Das Reglement normt Längen und Breiten der Kohlefaserröhre ausgehend von der Kopfstütze. Wer diese nach hinten rückt, plaziert die Vorderräder an der schmalsten Stelle des nach vorne konisch zulaufenden Chassis. Damit vergrößert sich der Platz zwischen den Rädern und der Chassisröhre. Folge: Mehr Luft kann unter das Auto und zu den Kühlern strömen.

Und jetzt kommt Neweys großer Coup. Die gute Traktion hat er schon, doch wie preßt man die Vorderachse auf die Straße, wenn das Au-to hecklastig ist? Minardi-Konstrukteur Gustav Brunner gibt die Antwort: 'Die Reifentemperaturen vorne holt er sich über die Aerodynamik, also das Zusammenspiel aus vorgesetzten Rädern, dem schlanken Chassis und der langen Nase.'

Noch ein Vorteil: Aerodynamischer Abtrieb tut den Reifen nicht weh. Gewicht schon. Das merkte der McLaren-Expreß im Rennen, als er nach zehn Runden einen Gang zurückschaltete. David Coulthard verrät: 'Die Hinterreifen haben das Tempo nicht vertragen. Wir mußten ein paar langsame Runden einlegen, um sie zu stabilisieren.'

Jetzt wird auch klar, warum Newey seine Fahrer im Dezember GP-Distanzen mit 80 Kilogramm Benzin an Bord testen ließ. Er wollte herausfinden, wie die Hinterreifen das zusätzliche Gewicht im Dauerbetrieb vertragen.

Pragmatismus, das Zu-Ende-Denken einer Idee und eine ähnliche Leichtbaumanie wie bei Lotus-Gründer Colin Chapman zeichnen Newey aus wie keinen anderen in der Branche. Man sieht es immer wieder an Details seiner Autos.

Sei es die Nase des MP4/14, die unten V-förmig geschnitten ist und so die Luft unter das Auto zwingt. Sei es die Sicherheitszelle, die vor dem Cockpitausschnitt zu den Kanten hin nach unten gebogen ist, um die Luft am Fahrerkopf vorbeizuleiten. Sei es der Auslaß der Kühlluft, der genau auf die Batmans vor den Hinterrädern zielt und somit den Abtriebseffekt verdoppelt.

Neweys Grenzgang mit der Technik, der alles dem Diktat der Aerodynamik unterwirft und immer kleinere und leichtere Komponenten hervorbringt, birgt aber auch Risiken. Die Ausfälle der Silberpfeile kommen nicht von ungefähr.

Unter der Motorabdeckung herrscht qualvolle Enge. Vor allem Hydraulik und Sensoren sind stärkeren Vibrationen ausgesetzt - ein möglicher Grund für das Hydraulik-Leck in Coulthards Auto. Der Geber für den Stellmotor der Walzenschieber an Häkkinens McLaren könnte der Hitze zum Opfer gefallen sein. Ein McLaren-Techniker gibt preis: 'Wir haben Probleme, die heiße Luft aus dem Motorraum rauszubringen.'

Ferrari kam mit einem blauen Auge davon, denn eigentlich ist nichts passiert. Das Punktekonto der Favoriten blieb leer. Der Vormachtstellung im GP-Zirkus kommt in diesem Jahr jedoch doppelte Bedeutung zu. Ferrari-Technikchef Ross Brawn: 'Bridgestone wird sich bei der Reifenentwicklung am Schnelleren von uns beiden orientieren.'

Politisch tut sich Ferrari schwer. Maranello wird sich auf lange Sicht technische Lösungen einfallen lassen müssen, um den McLaren beizukommen. Es gibt nichts, wogegen man protestieren könnte.

Der von den Italienern als äußerst gesundheitsschädlich propagierte Werkstoff Beryllium, der im Mercedes-Motor zur Anwendung kommt, wird das Jahr 2000 wohl überleben. Charlie Whiting, der technische Delegierte der FIA, stellte fest, daß ein schnelles Verbot die Stabilitätsregeln für Motoren verletzt.

Vielleicht hat ein Vorstoß von Michael Schumacher und anderen Fahrern mehr Erfolg. Statt immer härterer Reifen mit immer mehr Rillen plädieren die Piloten für die Rückkehr von Slicks und eine drastische Reduzierung der Aerodynamik. Irvines Vorschlag: 'Kleinere Flügel und ab der Vorderachse ein flacher Unterboden.' Das würde den Faktor Newey eindeutig entschärfen.

Zeitdilatation in der Formel 1

Formel1-Fahren hält jung. Der schnellste Grand Prix war 1999 die Hochgeschwindigkeitsjagd von Monza (GP von Italien). Der Sieger Heinz-Harald Frentzen legte die Gesamtdistanz von 305,548 km in 1:17.02,923 Stunden zurück, was eine Durchschnittsgeschwindigkeit von 237,939 kmh oder 66,094 ms brachte.

Nach der Formel für die Zeitdilatation hatte Heinz-Harald ganze 0,11 Tausendstelsekunden 'gewonnen'. Diese Zeitersparnis und damit Verjüngung Heinz-Haralds gegenüber den Zuschauern vor Ort und vor den Fernsehapparaten steht natürlich in keinem (günstigen) Verhältnis zum äußerlich optischen Altern des Rennfahrers aufgrund der Anstrengung während des GPs und dem Raubbau am Körper, dem er sich aussetzt. Zum Vergleich: In einem Raumschiff, dass sich mit 12000 kmh von der Erde wegbewegt, wären für Heinz-Harald in derselben Zeit fast 3 Zehntelsekunden herausgesprungen.

Literaturnachweis: Alles von motor-presse-online oder nicht nachweisbar.