Yeni Formula 1 araçları nasıl tasarlanıyor?

Mart 2022'de gerçekleşen Formula 1 sezonunda, takımlar, hem hayranlara hem de F1 pilotlarına uzun süredir beklenen rekabeti sunmak amacıyla yeni tasarımlı araçlarıyla yarış pistine çıktılar. Formula 1'in baş aerodinamik uzmanı Simon Dodman şu şekilde açıklıyor:"Bu sporu takip eden herkes, pilotların telsiz konuşmalarında önlerindeki araca yeterince yaklaşamadıkları yönündeki şikayetlerini duymuştur. Genellikle pilotlar, araçların yol tutuşunun ve yere basma kuvvetinin azaldığından şikayet ederler." F1 arabaları, dünyada kurallara tabi olarak tasarlanan en hızlı pist araçlarıdır. Tekerlekleri açık olan bu araçlar, en üst seviye spor arabalardan sadece 20-30 km/s daha hızlı olmalarına rağmen, güçlü aerodinamik bastırma kuvvetleri sayesinde virajları spor arabalardan beş kat daha hızlı alabilirler. Bu bastırma kuvvetleri, uçakların kanatlarında oluşan ve onların havalanmasını sağlayan kaldırma kuvvetlerine benzer; ancak F1 araçlarında bu kuvvetler, uçakların aksine, yere doğru uygulanır. Yarış sırasında bir F1 aracı, önündeki araca yaklaştığında, öndeki aracın kanatları ve gövdesi tarafından oluşturulan türbülans nedeniyle yere basma kuvvetinin yaklaşık %50'sini kaybeder. Bu türbülans, takipteki aracın yol tutuşunu azaltarak kaymasına neden olur. Bu durumda takipteki aracın pilotu, yol tutuşunun azaldığını fark eder ve gaz pedalından ayağını çekmek zorunda kalır. Amazon Web Hizmetleri'nde (AWS) hesaplamalı akışkanlar dinamiği (CFD) baş uzmanı olan eski Formula 1 mühendisi Neil Ashton bu durumu şöyle açıklıyor:"Dünyanın en iyi pilotları bile, bastırma kuvvetini kaybettiklerinde önlerindeki aracı geçemez hale gelirler."Dodman ise şu şekilde ekliyor:"Bu, bir akışkan içinde hareket eden bir cismin arkasında bir bozulma yaratması kadar basittir. Arabalar ne kadar hızlı giderse, o kadar fazla bastırma kuvveti oluştururlar ve böylece arkalarında yarattıkları girdap etkisi büyür. Bu girdap etkisi, arkadaki aracın performansını düşürür. Bir sürat teknesinin hemen arkasında başka bir sürat teknesi sürmeye çalıştığınızı ve suyun üzerinde zıpladığınızı hayal edin. Arabalarda yaşanan durum da bunun gibidir."Hiç Kimse "İkinci En İyi" Arabayı Tasarlamak İstemez!2019'dan beri F1 mühendis ekibi ve AWS, araçlar arası etkileşimin ardındaki bilimi anlamak ve pilotları güvende tutarken hayranlara heyecan verici bir rekabet sunmak için birlikte çalışıyor. Dodman, yarışların durumu hakkında şöyle diyor:"Formula 1 yarışları, genellikle geçit töreni gibi görünmesi ve rekabetin döngüsel yapısı nedeniyle eleştiriliyor, bu da kimin kazanacağını tahmin etmeyi kolaylaştırıyor. Hayranlar bol sollamanın olduğu, yüksek tempolu yarışlar görmek istiyor; ancak bu genellikle gerçekleşmiyor. Onlara daha ilgi çekici bir deneyim sunmak ve yarışlarda eşit şartlar sağlamak için değişiklik yapmamız gerektiğini fark ettik."F1 mühendis ekibinin görevi, aracın maksimum hızını ve yere basma kuvvetini korurken arkasında daha az türbülans oluşturacak ve öndeki aracın türbülansından olumsuz etkilenmeyecek bir tasarım geliştirmekti. Formula 1'in baş teknoloji sorumlusu Pat Symonds, şunları söylüyor:"Kimse bir arabayı ikinci olması için tasarlamaz. Bu projede arabaların temiz havada değil, başka bir arabanın arkasında nasıl performans gösterdiklerine odaklandık."F1 ekibi, zaman ve maliyet açısından verimsiz fiziksel testler yerine, F1 arabalarının etrafındaki hava akışlarını sanal ortamda inceleyebildikleri hesaplamalı akışkanlar dinamiğini (CFD) kullanıyor. Böylece, herhangi bir parçayı fiziksel olarak üretmeye gerek kalmadan çalışmalarını sürdürebiliyorlar. Formula 1 gibi şirketler, Navier-Stokes denklemlerinin bir çeşidini sayısal olarak çözerek, laptopları üzerinden türbülanslı akışların karmaşık doğasını analiz edebiliyorlar.Karmaşık Fizik ve SüperbilgisayarlarAshton, gerekli hesaplamalar hakkında şunları söylüyor:"Bir F1 aracının viraj performansını değerlendirmek ancak devasa bir senaryo matrisini hesaplamakla mümkün oluyor. Bu sebeple, F1'in çok sayıda yüksek performanslı bilgisayara (HPC) erişimi olması gerekiyor."Böylesi büyük bir hesaplamayı sürekli olarak gerçekleştirebilmek için, sadece bu işe ayrılmış süperbilgisayarlar kullanıldı. Dodman, bu konuda şöyle diyor:"Bu sayede sonuç alma, değerlendirme ve bir sonraki adıma geçme süremiz çok kısaldı. Sürecin büyük bir kısmını hızlı bir şekilde halledebiliyorduk."Kullanılan işlemci gücünü şu şekilde düşünebilirsiniz: En güçlü masaüstü bilgisayarlarda 64 işlemci çekirdeği bulunurken, F1 mühendisleri yürüttükleri her simülasyon için 2.500'den fazla işlemci çekirdeğine erişim sağlıyordu. Bu yüksek hızlı bilgisayarlar sayesinde ortalama simülasyon süresi 60 saatten 12 saate indirildi. Ayrıca, ayrılan bütçenin küçük bir kısmıyla sağlanan üstün bilgisayar performansı, işletme masraflarını %30'a kadar azalttı.Başlangıçta F1 haftada 20-30 simülasyon yürütmeyi planlamıştı; ancak yüksek hızlı bilgisayarlar sayesinde bu sayı 80-90 arasına çıkarıldı. Dodman'a göre, F1 yarış takımları bile sahip olmadıkları kadar güçlü bilgi işlem gücüne erişerek, iki araba içeren simülasyonlar yapabildiler ve bu probleme daha önce kimsenin bakmadığı bir şekilde yaklaşabildiler. Simülasyonlar ve Devasa VeriF1 ekibi, yalnızca altı ay içinde bir ve birden fazla arabanın bulunduğu 5000'den fazla simülasyon gerçekleştirdi. Bu simülasyonlardan elde edilen veriler, FIA (Uluslararası Otomobil Federasyonu) tarafından yeni nesil arabaların tasarımında, bir araba boyu mesafede yalnızca %15 bastırma kuvveti kaybı yaşayan araçların geliştirilmesine öncülük etti. F1 takımları, 2022 yarış sezonu için tasarladıkları arabalarında bu veriler doğrultusunda hazırlanan düzenlemelere uydular.Yeni aerodinamik özellikler arasında tekerleklerin oluşturduğu girdabı kontrol eden cihazlar, hava akışını ön tekerlekten saptıran basitleştirilmiş bir ön kanat, kenarlardan havayı çekip takip eden aracın üzerine yönlendirmek amacıyla tasarlanmış bir arka kanat, basitleştirilmiş süspansiyon ve taban altı hava kanalları yer almaktaydı. Bu düzenlemelerle, tüm F1 araçları ilk kez 13 inç yerine 18 inç jantlar ve düşük profilli tekerleklerle yarıştılar.Bu özelliklerin eklenmesi, öndeki aracın neden olduğu türbülanslı hava akımını azaltarak takip eden aracın yere basma kuvvetinin artmasını sağladı. Böylece arkadaki araç, aradaki farkı kapatıp geçiş yapma şansına sahip oldu. Dodman, bu yeniliklerle ilgili şunları söyledi:"Yeni tasarım, aracın oluşturduğu girdabı daha yukarı taşıyarak takip eden aracın bu girdabın altından geçmesine olanak sağlıyor. Bu sayede pilotlar birbirlerine daha yakın yarışabilecek ve çok daha fazla sollama imkanı bulacaklar. Ayrıca en hızlı ve en yavaş araçlar arasında daha az fark olması, farklı takımların her hafta kazanma olasılığını artırıyor." F1 ekibi, bu yeni tasarımları bir rüzgar tünelinde test ettiğinde Ashton, şunları söyledi:"Yapılan testlerin ve simülasyonların sonuçlarının örtüşmesi oldukça olumlu karşılandı. Bu proje, hesaplamalı akışkanlar dinamiği kullanarak karmaşık ve yüksek kaliteli mühendislik tasarımlarının yapılabileceğini kanıtladı."