Formel 1: Die Wissenschaft, Technik und Innovation hinter der Geschwindigkeit

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Jedes Jahr kämpfen zwanzig Fahrer und zehn Teams um den Weltmeistertitel. Das ist Formel-1-Rennsport in einer Zeile zusammengefasst.

Die Formel 1 bzw. F1 ist eine weltweite Sensation. Aus vielen Gründen verfolgen Millionen Menschen auf der ganzen Welt diesen Sport. Eines der faszinierendsten Dinge an diesem Sport ist die Geschwindigkeit und Agilität der F1-Autos. Die Rennwagen können Geschwindigkeiten von 220 mph (350 km/h) erreichen!

Während es Spaß macht, den Fahrern dabei zuzusehen, wie sie miteinander um den Sieg kämpfen, sind die Wissenschaft, Technik und Innovation hinter den Konstruktionen des Autos ebenso faszinierend (wenn nicht sogar noch faszinierender!).

Hier versuchen wir, die verschiedenen technischen Faktoren zu verstehen, die zur Geschwindigkeit von F1-Autos beitragen, darunter Aerodynamik, Motorleistung und andere innovative technische Techniken. Jedes F1-Team ist bestrebt, die Leistung seiner Autos in diesen Bereichen zu optimieren, um sich einen Wettbewerbsvorteil gegenüber seinen Konkurrenten zu verschaffen.

Also lasst uns durchstarten!

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Angesichts der hohen Geschwindigkeiten, die sie erreichen, spielt der Luftstrom eine entscheidende Rolle bei der Konstruktion von F1-Autos. Daher ist die Aerodynamik eines F1-Autos genauso wichtig wie der Motor (auf den wir im nächsten Abschnitt eingehen werden).

Die Aerodynamik hilft vor allem bei drei Dingen: Reduzierung des Luftwiderstands, Erzeugung von Abtrieb und Minimierung des Auftriebs. Dies geschieht durch die Steuerung des Designs der aerodynamischen Elemente, wie etwa der Front- und Heckflügel, Bargeboards und Diffusoren.

Der Luftwiderstand ist eine Art Luftwiderstand, der die Geschwindigkeit des Fahrzeugs während der Fahrt verringert. Sie wirkt entgegengesetzt zur Relativbewegung des Fahrzeugs gegenüber der Luft. Denken Sie an Vögel; Sie haben stromlinienförmige Körper, die den Luftwiderstand verringern und ihnen ein effizienteres Fliegen ermöglichen. Das Gleiche gilt für F1-Autos.

Die Karosserie des Fahrzeugs wird stromlinienförmiger, indem die Karosseriekonturen geglättet, scharfe Kanten minimiert und die Frontfläche des Fahrzeugs verkleinert werden. All dies trägt zur Reduzierung von Turbulenzen und Luftwiderstand bei.

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Die aerodynamischen Eigenschaften tragen auch dazu bei, den Auftrieb zu minimieren, also die nach oben gerichtete Kraft, die auf das Auto während der Fahrt einwirkt. Es misst den Druckunterschied über und unter dem Fahrzeug, während es sich durch die Umgebungsluft bewegt. Die Höhe des Auftriebs hängt hauptsächlich von der Form und Ausrichtung der Fahrzeugkarosserie ab.

Die vorderen und hinteren Flügel arbeiten mit den Diffusoren unter dem Auto zusammen, um einen Niederdruckbereich zu erzeugen, der Abtrieb erzeugt. Der Abtrieb wirkt dem Auftrieb entgegen, um den Grip und die Stabilität des Fahrzeugs zu erhöhen, sodass der Fahrer bei höheren Geschwindigkeiten Kurven fahren kann, ohne die Kontrolle zu verlieren.

Die Teams verwenden Windkanäle, um verschiedene Karosserieformen und -designs zu testen, um den Luftwiderstand zu minimieren und gleichzeitig den Abtrieb zu maximieren (obwohl die Geschwindigkeit bei Windkanaltests auf maximal 180 km/h begrenzt ist, sodass sie nicht alle Aspekte des Autos testen können). Die maximale Leistung und die Zeit, die im Windkanal verbracht werden kann, sind begrenzt, je nachdem, wo das Team in der letzten Saison platziert wurde.

Diese Windkanaltests helfen den Teams, die aerodynamischen Eigenschaften des Autos zu optimieren, um die Leistung auf der Strecke vor jeder Rennsaison zu verbessern.

Die in der Formel 1 verwendeten Motoren sind sehr hochentwickelte Geräte und spielen offensichtlich eine große Rolle für die Geschwindigkeit und Leistung des Autos.

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Die F1-Regeln legen die Motorspezifikationen fest. Seit 2014 müssen die F1-Motoren Viertakt-Hybrid-V6-Motoren mit einem Hubraum von 1,6 Litern und einem Turbolader zur Leistungssteigerung sein (mit 80 mm Bohrung und 53 mm Hub). Der Turbolader drückt mehr Luft in den Motor, was zu mehr Leistung führt. Dies wird erreicht, indem Abgase dazu verwendet werden, eine Turbine anzutreiben, die einen Kompressor antreibt, der mehr Luft in den Motor drückt.

Die Leistung eines F1-Motors hängt von seiner Drehzahl ab und ist seit 2021 auf 15.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) begrenzt. Im Vergleich dazu läuft ein Straßenauto mit ähnlichen Abmessungen im Allgemeinen mit etwa 6.000 U/min, halb so viel wie ein F1-Auto!

Der Motor eines F1-Autos erzeugt eine Leistung von fast 1.000 PS! 1 Einheit mechanische Pferdestärke (ein imperiales Maß) ist die Energie, die erforderlich ist, um 250 kg Gewicht in 1 Sekunde einen Fuß über den Boden zu heben. Der Motor ist eine der teuersten Komponenten eines F1-Autos und die Teams investieren viel in die Entwicklung und Optimierung ihrer Motoren.

Darüber hinaus wird die Leistung des Motors durch Hybridtechnologie gesteigert. Seit 2014 müssen F1-Teams gemäß den Vorschriften der FIA (dem Dachverband für Automobilrennsport) Hybridmotoren mit Elektromotoren und einer Batterie verwenden. Das Hybrid-Setup verfügt über zwei Elektromotoren, einen namens MGU-K, der von einer Batterie angetrieben wird und die Kurbelwelle mit Strom versorgt, und einen zweiten namens MGU-H, der den Turbolader verwaltet.

Diese Energie wird in einer Batterie gespeichert und kann zum Antrieb des Elektromotors und zum Boosten des Motors genutzt werden. Die Hybridtechnologie ermöglicht es den Autos außerdem, beim Bremsen Energie für eine spätere Nutzung zurückzugewinnen. Diese Technologie wird als kinetisches Energierückgewinnungssystem oder KERS bezeichnet und in einem späteren Abschnitt ausführlich besprochen.

F1-Automotoren sind kompakt, leicht und hocheffizient gebaut. F1-Autos sind in der Lage, 50 % der Kraftstoffenergie in Strom umzuwandeln. Im Vergleich dazu sind Straßenfahrzeuge nur in der Lage, etwa 20 % umzuwandeln! Eine Möglichkeit, zusätzlichen Kraftstoff umzuwandeln, ist die Vorkammerzündung, bei der sich in jedem Zylinder eine kleinere Sekundärkammer befindet, die zuerst zündet.

Eine höhere Effizienz wird auch durch fortschrittliche Technik und Materialien (siehe nächster Abschnitt), Turboaufladung und Hybridtechnologie erreicht.

Interessante Tatsache: Nicht alle Teams stellen sie her, da die Herstellung eines F1-Motors hohe Kosten verursacht. Derzeit sind nur vier Teams am Start, die Motoren herstellen: Ferrari, Red Bull, Mercedes und Alpine.

Die Sicherheit des Fahrers ist in der Formel 1 von größter Bedeutung, und die in F1-Autos verwendeten Materialien werden mit äußerster Sorgfalt ausgewählt. Um die Sicherheit des Fahrers zu gewährleisten, gelten hinsichtlich der Art der verwendeten Materialien sehr strenge Vorschriften. Allerdings müssen auch die verwendeten Materialien die Leistung des Autos verbessern.

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Technologische Fortschritte bei den Materialien haben es F1-Autos ermöglicht, schneller, sicherer, langlebiger und leichter als je zuvor zu werden. Ein weniger schweres Auto bietet eine bessere Beschleunigung, Geschwindigkeit und Agilität und gewährleistet gleichzeitig die Sicherheit des Fahrers.

Das am häufigsten verwendete Material in F1-Autos sind Kohlefaserverbundstoffe, die etwa 80 Prozent des Autos ausmachen. Kohlefaserverbundwerkstoffe bieten mehrere Vorteile, wie zum Beispiel hohe Festigkeit, geringes Gewicht und hohe Steifigkeit. Dadurch sind sie ideale Materialien für den Bau des Chassis, also des Fahrgestells des Autos.

Während ihres Herstellungsprozesses erhöht die Erhöhung der Temperatur und die Anwendung von Spannung den Modul (das Verhältnis von Spannung (entlang einer Achse zu Dehnung entlang dieser Achse)) der Kohlenstofffasern, wodurch sie haltbarer werden. Abgesehen von Kohlenstofffasern sind dies auch Verbundwerkstoffe mit keramischer Matrix werden im Bremssystem eingesetzt, da sie eine hohe spezifische Festigkeit aufweisen, also im Verhältnis zu ihrem Gewicht relativ stark sind.

Aufgrund ihres hohen Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses werden andere Materialien wie Titan für den Bau kritischer Komponenten wie Aufhängung und Getriebe verwendet. Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner hohen Festigkeit wird Magnesium auch bei der Konstruktion des Getriebegehäuses und der Räder verwendet.

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Darüber hinaus werden Nylonfasern zum Aufbau des Monocoques (der „Zelle“, die den Formel-1-Fahrer schützt) verwendet, der grundlegenden strukturellen Stütze des Autos. Das Monocoque ist extrem stabil und steif, um den Fahrer im Falle eines Unfalls zu schützen. Außerdem ist es so konzipiert, dass es leicht ist, um sicherzustellen, dass die Geschwindigkeit des Fahrzeugs dadurch nicht beeinträchtigt wird.

Bestimmte Materialien wie Kevlar und andere Aramidfasern werden zur Herstellung von Schutzausrüstung wie Helmen und Fahreranzügen verwendet, um die Sicherheit zu erhöhen. Dabei handelt es sich um leichte Materialien, die den Fahrer schützen, ohne das Auto übermäßig zu belasten. Dies ist wichtig, da das Mindestgewicht eines Formel-1-Autos (Stand 2023) 798 kg (1.759 lbs) beträgt, einschließlich Fahrer, nicht jedoch des Kraftstoffs. Jedes Gramm darüber kann also einen Unterschied machen.

F1-Teams nutzen innovative technische Techniken wie die Analyse der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics, CFD), um die Leistung der Autos zu verbessern. Hierbei handelt es sich im Wesentlichen um eine Simulation des F1-Autos, um zu beurteilen, wie sich Gase (bei denen es sich um Flüssigkeiten handelt) auf die Leistung des Autos auswirken.

Die Technik beinhaltet die Verwendung von Computeralgorithmen zur Lösung mathematischer und physikalischer aerodynamischer Gleichungen. CFD-Simulationen helfen dabei, den Luftstrom über und um das Fahrzeug herum zu optimieren, den Luftwiderstand zu reduzieren und den Abtrieb zu verbessern.

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F1-Teams nutzen auch Datenanalysen, um die Leistung von Autos zu verbessern. Sie sammeln bei Tests und Rennen große Datenmengen, darunter Reifenverschleiß, Kraftstoffverbrauch, Motorleistung und Fahrerverhalten. Diese Daten werden mithilfe von Algorithmen für maschinelles Lernen analysiert, um Bereiche mit Verbesserungspotenzial bei Fahrzeugdesign, -einrichtung und -strategie zu identifizieren.

Seit den Anfängen des Sports gab es in der Formel 1 mehrere technologische Fortschritte. In den letzten Jahren haben sich jedoch zwei besonders hervorgetan: KERS (das bereits angesprochen wurde) und Energiespeichersysteme (ESS).

KERS wird verwendet, um die beim Bremsen entstehende Energie zu nutzen. Die kinetische Energie des Fahrzeugs wird mithilfe eines Motors oder Generators über einen als regeneratives Bremsen bezeichneten Prozess in elektrische Energie umgewandelt. Diese elektrische Energie wird entweder in einer Batterie (elektrisches KERS) oder einem Schwungrad (Flybird-System), bekannt als ESS, gespeichert.

Später kann die gespeicherte Energie den Elektromotor des Autos antreiben und für zusätzliche Beschleunigung sorgen. Der Einsatz von ESS in der Formel 1 wird immer wichtiger, da die Teams ihre Leistung verbessern und gleichzeitig den Kraftstoffverbrauch und die Emissionen senken möchten. Die Entwicklung effizienterer und leichterer ESSs ist ein fortlaufender Forschungs- und Entwicklungsbereich in der Automobilindustrie.

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Innovationen gibt es jede Saison. Es gibt noch viel mehr, worauf man sich freuen kann, denn Audi hat seine Pläne für den Einstieg im Jahr 2026 bekannt gegeben!

Es braucht ein ganzes Dorf, um ein F1-Auto zu konstruieren, das über 300 Stundenkilometer fahren kann. Und in diesem Artikel haben wir alle verschiedenen Teile dieses Dorfes erkundet.

Jedes Detail des Autos beeinflusst seine Geschwindigkeit und Leistung, von der Aerodynamik bis hin zu innovativen Technologien. Mit der Weiterentwicklung von Naturwissenschaften, Mathematik, Ingenieurwesen und Informatik entwickeln sich auch neue Technologien weiter, die die Grenzen der Möglichkeiten in der Formel 1 erweitern.

Die Möglichkeiten sind endlos und aufregend, denn es handelt sich hier um hochmodernen Motorsport!