Formula 1 arabaları neden bu kadar hızlı?

Geleneksel içten yanmalı motorların sınırlarını aşan F1 araçları, günümüzde uzay teknolojisini aratmayan hibrit sistemlerle donatılmış durumda. Sadece frenleme ve egzoz gazından geri dönüştürülen enerjiyi kullanarak ekstradan yüzlerce beygir güç üreten bu canavarlar, termal verimlilikte binek araçların iki katı seviyesine ulaşarak mühendislik tarihini yeniden yazıyor.

Havayı bükerek yere basma kuvveti (downforce) üreten F1 gövde tasarımı. (Kaynak: Jon Feingersh Photography Inc)

HAVAYI SİLAH OLARAK KULLANMAK: TERS UÇAK ETKİSİ

Çoğu insan bir F1 aracının en büyük sırrının motor gücü olduğunu düşünür. Ancak asıl sihir aerodinami yani havanın kontrol edilmesinde yatar.

Bir yolcu uçağının kanatları havayı altına alıp yukarı doğru bir kaldırma kuvveti oluştururken, F1 araçları bu mekanizmayı tam tersine çalıştırır. Ön ve arka kanatlar, havayı yukarı doğru bükerek aracı piste doğru iter. Buna yere basma kuvveti (downforce) denir.

• Viraj Canavarları: 300 km/s hızla giden bir F1 aracı, kendi ağırlığının birkaç katı kadar aşağı doğru bir basınç üretebilir. Teorik olarak, yeterli hıza ulaştıklarında bir tünelin tavanında baş aşağı bile sürülebilirler.

• Taban Etkisi (Ground Effect): Arabanın altındaki hava akımı, dar tünellerden (Venturi kanalları) geçerken hızlanır. Akışkanlar mekaniğine göre, hızlı hareket eden havanın basıncı düşer. Bu da arabanın altında bir vakum yaratarak aracı adeta piste yapıştırır.

1.6 LİTRELİK MOTORUN İNANILMAZ GÜCÜ

Gündelik hayatta kullandığımız aile arabalarının çoğunda da 1.6 litrelik motorlar bulunuyor. Peki, nasıl oluyor da aynı hacimdeki bir F1 motoru 1000 beygir gücüne yakın güç üretebiliyor?

Buradaki anahtar kavram, sistemin sadece bir motor değil, entegre bir Güç Ünitesi (Power Unit) olmasıdır. V6 turboşarjlı motor, iki adet son teknoloji elektrikli jeneratörle (MGU) desteklenir:

• MGU-K (Kinetik Enerji Geri Kazanımı): Araç fren yaptıkça açığa çıkan devasa ısı ve hareket enerjisini elektriğe dönüştürerek bataryaya aktarır. Hızlanırken ise bu enerjiyi arka tekerleklere anında ekstra güç olarak iletir.
• MGU-H (Isı Enerjisi Geri Kazanımı): Egzoz gazlarından çıkan ısıyı doğrudan elektrik enerjisine çevirir ve turbo gecikmesini (turbo lag) tamamen ortadan kaldırmak için kullanılır.

Frenleme ve ısı enerjisini geri kazanan modern F1 hibrit motor ünitesi.

KARBON ELYAFI VE ULTRA HAFİFLİK

F1 araçlarının bu kadar hızlı ivmelenmesinin bir diğer nedeni de tüy kadar hafif olmalarıdır. Pilot dahil bir F1 aracının minimum ağırlığı sadece 798 kilogramdır.

Aracın şasisi (monokok yapı), çelikten çok daha güçlü ama katbekat daha hafif olan karbon fiber kompozitlerden üretilir. Bu hafiflik, motor gücünün her bir beygirine düşen ağırlığı azaltarak aracın 0'dan 100 km/s hıza sadece 2.5 saniyede, 200 km/s hıza ise 5 saniyenin altında çıkmasını sağlar.

Biliyor muydunuz? Formula 1 araçlarındaki karbon disk frenler, sert bir frenleme esnasında 1.000°C sıcaklığın üzerine çıkabilir. Bu sıcaklık, erimiş lavların sıcaklığına oldukça yakındır.

F1 araçlarının virajlarda maruz kaldığı devasa G kuvvetinin pilotlar üzerindeki fiziksel etkilerini öğrenmek ister misiniz?

Formula 1 pilotları sadece "araba süren" sporcular değildir. Kokpitin içinde birer savaş jeti pilotu kadar yüksek fiziksel strese maruz kalırlar. Bu stresin en büyük kaynağı ise G Kuvvetidir.

G kuvveti ve bu ekstrem dünyanın pilotların sınırlarını nasıl zorladığına yakından bakalım.

G kuvveti, bir cismin hızlanma veya yön değiştirirken maruz kaldığı ivmelenme kuvvetidir. (Görsel: AA)

G KUVVETİ NEDİR VE PİLOTLARI NASIL ETKİLER?

G kuvveti (yerçekimi kuvveti), bir cismin hızlanma veya yön değiştirme sırasında maruz kaldığı ivmelenme basıncıdır. Yeryüzünde ayakta dururken üzerimizde hissettiğimiz normal yerçekimi değeri 1G'dir.

BU DEVASA GÜÇ VÜCUTTA NELER YAPAR?

• Beyne Giden Kan Akışı Azalır: G kuvveti kanı bacaklara doğru iter. Beyne giden kan azaldıkça pilotların görüş alanı daralabilir (tünel görüşü) veya çok ekstrem durumlarda "greyout" (görüntünün grileşmesi) yaşanabilir.
• Aşırı Kalp Ritmi: Yarış boyunca pilotların nabzı ortalama 160 ila 180 arasında seyreder. Bu, maraton koşan bir atletin kalp ritmine eşdeğerdir.
• Dehidrasyon (Sıvı Kaybı): Kokpit içindeki sıcaklık 50°C'ye kadar çıkabilir. Pilotlar 1.5 - 2 saatlik bir yarış boyunca terleme yoluyla yaklaşık 3 ila 4 kilo kaybederler. Bu durum konsantrasyonu doğrudan etkiler.

Pilotların başlarına takılan direnç bantlarıyla yapılan ekstrem boyun antrenmanı. (Kaynak: Mark Thompson)

PİLOTLAR BU KUVVETE DAYANMAK İÇİN NASIL ANTRENMAN YAPIYOR?

Sıradan bir insanın boynu 5G kuvvetindeki bir virajda anında yana doğru düşer ve kafasını bir daha doğrultamaz. Bu yüzden F1 pilotlarının antrenman programları çok özeldir.

1. "Kobra" Gibi Boyunlar

Pilotlar, boyun kaslarını (splenius capitis ve trapezius) geliştirmek için özel kasklar ve direnç bantları kullanırlar. Antrenörler, pilotun kafasına bağlı direnç kablolarını aniden çekerek virajlardaki ani G yüklerini simüle ederler. Bir F1 pilotunun boyun kalınlığı, genellikle kafasıyla neredeyse aynı genişliktedir.

2. Çelik Gibi Bir "Core" (Merkez Bölgesi) ve Kalça

Kokpitte sabit kalabilmek ve aracı hissedebilmek için karın, bel ve kalça kaslarının kusursuz olması gerekir. Pilotlar, dengesiz zeminlerde (Bosu topları üzerinde) ağırlık kaldırarak derin merkez kaslarını çalıştırırlar.

3. Ekstrem Kardiyo Kapasitesi

Kalbin yüksek nabızda saatlerce beyne oksijen pompalamaya devam edebilmesi için pilotlar kürek, bisiklet, koşu ve triatlon gibi ağır kardiyo antrenmanları yaparlar.

Kaynaklar:

Veritas Newspaper - "How Do F1 Cars Go So Fast? Physics & Aerodynamics"

Medium / Science of Speed - "The Science of Speed: What Makes an F1 Car So Fast — and Why It Matters"

Engineering Institute of Technology (EIT) - "The Thrilling Engineering Behind Formula 1 Cars"