Wie funktionieren die Heckflügel in der Formel 1?

Formel-1-Heckflügel sind entscheidende aerodynamische Komponenten, die Abtrieb erzeugen und so Traktion und Kurvenverhalten verbessern. Diese am Heck des Autos montierten Flügel bestehen aus einer Hauptplatte und einer kleineren Klappe, die zusammenarbeiten, um den Luftstrom nach oben umzulenken und so einen Druckunterschied zwischen der Ober- und Unterseite zu erzeugen. Dieser Druckunterschied führt zu einer nach unten gerichteten Kraft, die das Auto auf die Strecke drückt und den Grip und die Stabilität insbesondere in Hochgeschwindigkeitskurven verbessert. Design, Winkel und Position des Heckflügels können angepasst werden, um das Abtrieb-Niveau für bestimmte Streckenbedingungen und Fahrerpräferenzen zu optimieren.

Was macht der Heckflügel in der Formel 1?

Der Heckflügel in der Formel 1 erfüllt mehrere Aufgaben, wobei der Fokus auf der aerodynamischen Leistung liegt. Seine Hauptfunktion besteht darin, Abtrieb zu erzeugen – eine nach unten gerichtete Kraft, die das Fahrzeug auf die Strecke drückt, die Reifenhaftung erhöht und schnellere Kurvengeschwindigkeiten ermöglicht. Der Heckflügel sorgt dafür, dass die Antriebsreifen stärker auf die Fahrbahn gepresst werden. Außerdem stabilisiert er die Hinterradaufhängung.

Allerdings trägt der Heckflügel auch zum Gesamtluftwiderstand des Fahrzeugs bei, was sich auf die Endgeschwindigkeit auswirken kann. Im Allgemeinen erzeugen Flügel mit hohem Abtrieb mehr Luftwiderstand, was das Fahrzeug auf Geraden verlangsamt. Auf Strecken mit vielen Geraden sieht man daher oft, dass Teams kleinere Heckflügel einsetzen, um den Luftwiderstand zu verringern und die Höchstgeschwindigkeit zu erhöhen.

Darüber hinaus spielt der Heckflügel eine Rolle beim aerodynamischen Gleichgewicht des Autos. Er arbeitet zusammen mit dem Frontflügel und anderen aerodynamischen Komponenten, um die Stabilität zu gewährleisten und die Leistung zu optimieren. Teams stimmen Winkel, Form und Größe des Heckflügels auf den jeweiligen Streckenverlauf und die Wetterbedingungen ab.

Warum haben Formel-1-Autos Flügel?

Flügel spielen eine wichtige Rolle dabei, die Fahrzeuge fest am Boden zu halten. Die Geschwindigkeiten von über 360 km/h, die Formel-1-Autos teilweise erreichen oder überschreiten, würden ausreichen, um sie vom Boden abheben zu lassen.
 
Im Gegensatz zu Flugzeugen, die für den Flug gebaut wurden, sollen Autos auf Asphalt fahren. Flugzeuge sind mit Tragflächen ausgestattet, die ihnen das Abheben bei optimaler Geschwindigkeit ermöglichen. Formel-1-Autos erreichen ähnliche Geschwindigkeiten wie Flugzeuge mit vergleichbarem Gewicht. Es besteht daher die Gefahr, dass sie vom Boden abheben oder zumindest gleiten und der Fahrer die Kontrolle verliert – was katastrophale Folgen hätte.
 
Die Flügel eines Rennwagens sind im Prinzip umgedrehte Tragflächen im Vergleich zu denen eines Flugzeugs. Ihr Zweck ist es, einen Abtrieb zu erzeugen, der ein Vielfaches des Fahrzeuggewichts beträgt. Das sorgt dafür, dass das Auto fest auf der Strecke bleibt. Die Reifen bekommen dadurch guten Grip, und das Auto rutscht in Kurven nicht. So kann der Fahrer das Auto auch besser manövrieren.
 
Der Frontflügel eines Formel-1-Autos liefert etwa 40 Prozent des gesamten Abtriebs. Er leitet Wirbelschleppen unter das Auto. Als erste Komponente, die auf die Luft trifft, führt der Frontflügel auch die restliche Luft geschickt weiter. Ein Teil der Luft wird an die Seitenteile gelenkt, um den luftgekühlten Motor zu kühlen. Der restliche Luftstrom soll möglichst wenig Widerstand verursachen.
 
Der Heckflügel besitzt eine geringere Wölbung als die Flügel des Frontflügels und ist hoch über dem Heck des Wagens angebracht. Diese Flügel haben Endplatten an beiden Seiten und sind für etwa 20 Prozent des gesamten Abtriebs zuständig. Dieser Abtrieb stabilisiert das Heck und verhindert, dass das Auto in Kurven ausbricht.

Wie ist der Heckflügel eines Formel-1-Autos konstruiert?

Der Heckflügel ist eines der am stärksten regulierten Aerodynamikbauteile bei einem Formel-1-Auto. Es gibt nicht nur Beschränkungen hinsichtlich der Anzahl der Flügelprofile, sondern auch bezüglich Breite, Geometrie und Flexibilität. Die Kontur eines Heckflügel-Profils hängt von der jeweiligen Strecke ab. Die Teams verfügen über streckenspezifische Heckflügel, je nachdem, wie viel Abtrieb auf einer Strecke notwendig ist.
 
Die FIA erlaubt eine Spannweite von 101 cm für den Heckflügel und zusätzlich 5 cm auf jeder Seite für die Endplatten. Die Enden der Heckflügel müssen also innerhalb dieser 5 cm liegen. Der komplette Heckflügel muss 35 cm vor dem äußersten hinteren Ende des Autos angebracht sein und darf maximal 22 cm tief sein. Zusätzlich muss das Team die Flexibilität des Flügels berücksichtigen.
 
Die erlaubten Maße geben den Teams Spielraum, um den Abtrieb durch den Heckflügel individuell zu gestalten. Der Winkel, in dem das Profil angestellt ist, wird als Anstellwinkel bezeichnet und ist meist streckenspezifisch. Die Distanz zwischen Vorder- und Hinterkante nennt man „Sehne“. Ändert man einen oder alle dieser Parameter, verändert sich der erzeugte Abtrieb entsprechend.
 
Aber jede Umleitung des Luftstroms hat ihren Preis – den sogenannten Luftwiderstand. Luftwiderstand ist die Verzögerungskraft, die Luft auf einen sich bewegenden Körper ausübt. Der meiste Luftwiderstand entsteht an den Flügeln, weil sie die Luft umlenken, um Abtrieb zu erzeugen. Zwar hilft der durch den Heckflügel erzeugte Abtrieb, die Kurvengeschwindigkeit zu erhöhen, aber der Luftwiderstand verlangsamt das Auto auf den Geraden.

Was sind die Punkte auf den Heckflügeln der F1-Autos?

Die Punkte auf den Heckflügeln von Formel-1-Autos gehören zu einem Überwachungssystem, das von der FIA (Fédération Internationale de l’Automobile) eingeführt wurde, um die Biegung der Heckflügel bei hohen Geschwindigkeiten zu erkennen und zu messen. Sie wurden eingeführt, nachdem im Vorjahr Vorwürfe über flexende Heckflügel bei hohen Geschwindigkeiten laut wurden. Die FIA bringt diese Punkte an, um die Bewegung der Flügel zu erkennen und zu messen.

Alle Autos werden mit einer Reihe von gelben Punktaufklebern auf den Heckflügeln ausgestattet, die eine einfachere Überwachung der Flügelbewegung ermöglichen. Die FIA schreibt strenge Vorschriften für die Flexibilität von Heckflügeln vor, um einen fairen Wettbewerb zu gewährleisten und zu verhindern, dass Teams durch übermäßige Biegefähigkeit einen Vorteil erlangen.

Die farbigen Punkte sind Referenzmarkierungen für die FIA, um Monitorbewegungen zu beobachten. Durch die Verfolgung der Bewegung dieser Punkte während des Rennens kann die FIA feststellen, ob ein Team gegen das Reglement verstößt, und entsprechende Maßnahmen ergreifen.

Wie begegnen Formel-1-Teams dem Luftwiderstand?

Der durch den Heckflügel erzeugte Abtrieb verbessert die Kurvengeschwindigkeit. Auf langen Geraden allerdings mindert er die Endgeschwindigkeit. Die Geschwindigkeit am Ende einer Geraden hängt vom Profil und Anstellwinkel des Heckflügels ab. Die Teams müssen ein fein abgestimmtes Gleichgewicht zwischen Kurven- und Geradegeschwindigkeit finden, um bessere Rundenzeiten zu erzielen.
 
Der Luftwiderstand durch den Heckflügel entsteht hauptsächlich durch die Wirbelschleppen an den Flügelenden. Um diesen Widerstand zu senken, kann der Anstellwinkel reduziert und die Sehne verkleinert werden. Dadurch wird der Luftwiderstand verringert, allerdings auch der erzeugte Abtrieb und damit die Fläche für die DRS-Verkleidung eingeschränkt.
 
Eine weitere Methode besteht darin, die Sehne an den Flügelspitzen zu verkleinern und gleichzeitig den Anstellwinkel zu verringern. Dadurch wird die Wirbelbildung reduziert, was wiederum den Luftwiderstand des Autos mindert. Der Einsatz eines „Löffelflügels“ (Spoon-Wing) ist eine weitere Technik, um vom Heckflügel verursachten Widerstand zu minimieren.
 
Ein Löffelflügel besteht aus zwei übereinander liegenden, löffelförmigen Flügeln. Dieser Flügeltyp reduziert den Anstellwinkel. Der durch einen Löffelflügel erzeugte Abtrieb ist elliptisch verteilt: In der Mitte ist er am höchsten und nimmt zu den Flügelenden hin ab. Löffelflügel werden typischerweise auf Strecken eingesetzt, die wenig Abtrieb erfordern.
 
Da ein Löffelflügel an den Enden weniger Abtrieb erzeugt, ist auch der Gesamtabtrieb geringer. Daher eignen sich diese Flügel nicht für Strecken wie Monaco, wo maximaler Abtrieb erforderlich ist.

Was sind verstellbare Heckflügel?

Mit der Regeländerung 2011 hielten verstellbare Heckflügel in der Formel 1 Einzug. Die verstellbaren Frontflügel wurden abgeschafft, doch die Fahrer erhielten dadurch mehr Kontrolle über das Verhältnis von Abtrieb zu Luftwiderstand. Dies machte den Sport wettbewerbsfähiger und bot mehr Überholmöglichkeiten – zur Freude der Fans.
 
Eine Veränderung des Anstellwinkels am Frontflügel verändert das Fahrverhalten, beeinflusst jedoch kaum den Luftwiderstand. Die Geschwindigkeit bleibt weitgehend gleich, wodurch keine Überholvorteile entstehen. Deshalb war ein verstellbarer Frontflügel wenig effektiv.
 
Dagegen hat schon eine kleine Veränderung des Anstellwinkels am Heckflügel spürbare Auswirkungen auf den Luftwiderstand. Fahrer können durch sinnvollen Einsatz des verstellbaren Heckflügels die Geschwindigkeit auf langen Geraden steigern. In langsamen, engen Kurven wird dagegen mehr Abtrieb benötigt – der Anstellwinkel wird entsprechend angepasst.
 
Würden jedoch alle Fahrer den Flügelwinkel auf das Minimum reduzieren, wären die Fahrzeuge gleich schnell. Daher erlaubt das Regelwerk eine Änderung des Anstellwinkels während des Rennens nur unter bestimmten Bedingungen. In Training und Qualifying darf der Winkel unbegrenzt angepasst werden.
 
Im Rennen darf der Heckflügelwinkel angepasst werden, wenn sich ein Fahrer einer Sekunde hinter dem Vordermann befindet. Dadurch verringert sich der Luftwiderstand, der Fahrer wird schneller und erhält eine Chance zum Überholen.
 
Der vorausfahrende Fahrer darf dabei seinen Winkel nicht anpassen, um Überholen zu verhindern. Auch in den ersten beiden Rennrunden, nach einem Neustart oder während einer Safety-Car-Phase ist eine Veränderung untersagt. Außerdem auch dann, wenn die Strecke als gefährlich eingestuft wird.
 
Die Verstellung kann zudem nur in DRS-Zonen erfolgen. Die FIA überwacht alle Anpassungen elektronisch während des Rennens; spezielle Leuchten zeigen dem Fahrer an, ob er berechtigt ist, den Flügelwinkel zu verändern. Regelverstöße werden entsprechend bestraft.
 
Die FIA geht davon aus, dass Autos durch die Anpassung des Heckflügelwinkels den Luftwiderstand um bis zu 12 % reduzieren können.

Welches war das erste Formel-1-Auto mit Heckflügel?

Das erste Formel-1-Auto mit Heckflügel war der Ferrari 312/67, der von Chris Amon beim Großen Preis von Belgien 1968 gefahren wurde. Mauro Forghieri von Ferrari entwarf einen Heckflügel, der am Ferrari 312/67 von Chris Amon angebracht wurde.

Es war das erste Rennen, bei dem Flügel an einem F1-Auto eingesetzt wurden. Ferrari stattete das Auto ihres Fahrers Chris Amon mit Flügeln aus, und dieser erzielte die Pole Position. Die Einführung des Heckflügels stellte einen bedeutenden Meilenstein in der Aerodynamik der Formel 1 dar, da die Teams begannen, die Wichtigkeit des Abtriebs zur Leistungssteigerung zu erkennen.

Brabham und Ferrari waren die ersten Teams, die Flügel einsetzten, beim Belgien-GP 1968. Obwohl Amon die Pole errang, schied er wegen eines defekten Benzinpumpensystems aus. Dennoch wurde das Potenzial aerodynamischer Flügel in der Formel 1 deutlich und andere Teams folgten schnell dem Beispiel.

Wie viel kostet ein Formel-1-Heckflügel?

Die Kosten eines F1-Heckflügels variieren je nach Team und spezifischem Design, sind jedoch aufgrund der verwendeten Hochleistungsmaterialien, präzisen Ingenieurskunst und aufwendigen Entwicklung in der Regel sehr hoch.

Heckflügel kosten zwischen 77.000 und 136.000 US-Dollar pro Stück. Diese hohen Kosten resultieren aus der komplexen aerodynamischen Struktur, den leichten Verbundwerkstoffen und der Anpassung an spezielle Streckenbedingungen.

Teams ändern oft das Flügeldesign nach jedem Rennen, abhängig von den Anforderungen der jeweiligen Strecke, was Kosten im Bereich von 85.000 bis 150.000 US-Dollar verursachen kann. Die häufige Weiterentwicklung und Modifikation erhöht die Gesamtkosten zusätzlich.

Wichtig ist, dass diese Zahlen nur die Kosten einer einzigen Heckflügel-Einheit darstellen. Im Laufe einer Saison setzen Teams mehrere Konfigurationen und Ersatzteile ein, was die Gesamtausgaben für dieses entscheidende Aerodynamikbauteil erheblich erhöht.

Übersetzung aus dem englischen Artikel “How Do Formula 1 Rear Wings Work?“