Pitotrohre – Grundlagen: Eine kurze Auffrischung

Bevor wir in die Welt der aufheulenden Motoren und des Abtriebs eintauchen, lassen Sie uns die Grundlagen anschauen. Ein Pitotrohr (benannt nach dem französischen Ingenieur Henri Pitot aus dem 18. Jahrhundert) misst die Strömungsgeschwindigkeit von Fluiden durch den Vergleich von statischem Druck und Gesamtdruck (auch als Staudruck bekannt).

• Statischer Druck: Stellen Sie sich diesen als Umgebungsdruck im System vor – den Druck, den Sie messen würden, wenn sich die Luft nicht bewegen würde. In Ihrer HLK-Welt ist dies der Druck im Kanal, ohne Berücksichtigung der Luftstromgeschwindigkeit.

• Gesamtdruck: Dies ist der Druck, der gemessen wird, wenn der Flüssigkeitsstrom vollständig zum Stillstand kommt (isentropisch, d. h. ohne Verluste). Er ist die Summe aus statischem und dynamischem Druck.

• Dynamischer Druck: Dies ist der Druck, der durch die Bewegung der Flüssigkeit entsteht. Dies ist der Schlüssel zur Berechnung der Geschwindigkeit.

Das Pitotrohr besteht aus zwei Hauptteilen: einer nach vorne gerichteten Öffnung (Aufprallöffnung), die den Gesamtdruck misst, und seitlichen Öffnungen, die den statischen Druck messen. Die Differenz zwischen diesen Drücken ergibt den dynamischen Druck. Und dank des Bernoulli-Prinzips, welches Sie wahrscheinlich gut kennen, können wir die Geschwindigkeit berechnen:

Geschwindigkeit = √(2 * dynamischer Druck / Luftdichte)

Dieses Prinzip wenden Sie täglich an, wenn Sie den Luftstrom in Kanälen messen.

In der Formel 1 wird es jedoch ... etwas intensiver.

Die Anfänge der Pitotrohre in der Formel 1: Einfache Tachometer

In den Anfangstagen der Formel 1 dienten Pitot-Rohre einem relativ einfachen Zweck: der Messung der Fluggeschwindigkeit. Ein einzelnes Pitot-Rohr, das oft am Nasenkonus montiert war, lieferte dem Fahrer und den Ingenieuren eine grundlegende Geschwindigkeitsmessung. Dies war wertvoll, aber nur die Spitze des Eisbergs. Die Informationen konnten dem Piloten helfen, seine Fahrweise an die Situation anzupassen.

Die aerodynamische Revolution: Pitot-Rohre werden zu High-Tech

Mit zunehmender Konzentration der Formel 1 auf die Aerodynamik entwickelte sich die Rolle des Pitotrohrs dramatisch weiter. Es wurde von einem einfachen Tachometer zu einem hochentwickelten Werkzeug zum Verständnis und zur Steuerung des Luftstroms. Und so verlief es:

• Windkanaltests: Hier begann die eigentliche Magie. Die Ingenieure begannen, Anordnungen von Pitotrohren – manchmal Dutzende, sogar Hunderte, in präzisen Rastern angeordnet – zu verwenden, um den Luftstrom um das Auto in Windkanälen abzubilden. So konnten sie die unsichtbaren Kräfte, die im Spiel waren, „sehen“ und Bereiche mit hohem und niedrigem Druck, Strömungsablösung und Turbulenzen identifizieren.

• On-Track-Validierung: Was im Windkanal funktioniert, lässt sich nicht immer perfekt auf die Rennstrecke übertragen. Daher begannen die Teams, während der Testsessions Pitot-Rohre zu verwenden, um reale Daten zu sammeln, diese mit den Ergebnissen aus dem Windkanal zu vergleichen und ihre Entwürfe zu verfeinern.

• Echtzeit-Telemetrie: Die heutigen F1-Autos sind vollgepackt mit Sensoren, und Pitot-Rohre sind ein entscheidender Teil dieses Netzwerks. Die Daten dieser Sensoren werden während der Rennen live an die Ingenieure übertragen und liefern einen konstanten Informationsfluss über die aerodynamische Leistung des Fahrzeugs.

Moderne F1-Pitot-Rohr-Anwendungen: Mehr als nur Geschwindigkeit

Kommen wir nun zu den Einzelheiten der Verwendung von Pitot-Rohren in der modernen Formel 1. Es geht um weit mehr als nur die Messung der Gesamtgeschwindigkeit:

• Aerodynamische Rechen: Der „Bart“ der Daten: Sie haben sie wahrscheinlich schon gesehen – diese großen, komplizierten Strukturen, die oft hinter den Vorderrädern oder in der Nähe des Heckflügels montiert sind und wie riesige Kämme oder „Bärte“ aussehen. Dabei handelt es sich um aerodynamische Rechen, die mit winzigen Pitot-Rohren gespickt sind.

  • Ihre Aufgabe: Sie erstellen eine detaillierte 3D-Karte des Luftstroms in bestimmten Bereichen des Fahrzeugs. So können Ingenieure die komplexen Strömungsmuster visualisieren, erkennen, wo sich die Luft von der Karosserie löst und so Luftwiderstand erzeugt. Hierdruch entsteht ein besseres Verständnis, wie verschiedene aerodynamische Komponenten interagieren.

  • Warum sie wichtig sind: Diese Daten sind entscheidend für die Optimierung des Abtriebs (die Kraft, die das Auto auf die Strecke drückt und die Haftung verbessert) und die Minimierung des Luftwiderstands (die Kraft, die der Bewegung des Autos entgegenwirkt).

• Optimierung des Flügelwinkels: Der Winkel der vorderen und hinteren Flügel wird ständig angepasst, um die perfekte Balance zwischen Abtrieb und Luftwiderstand für verschiedene Kurven und Streckenbedingungen zu finden. An den Flügeln selbst angebrachte Pitot-Rohre helfen bei der Messung der Druckverteilung auf der Flügeloberfläche und liefern Informationen für diese Anpassungen.

• Unterboden-Strömungsanalyse: Der Unterboden eines F1-Wagens ist eine wichtige Quelle für den Abtrieb. Unter dem Wagen angebrachte Pitot-Rohre messen den Luftstrom in diesem kritischen Bereich und helfen den Ingenieuren, das Design des Diffusors und anderer Unterbodenelemente zu optimieren.

• Bremskanalkühlung: Genau wie Sie für eine ausreichende Luftzirkulation zur Kühlung in HLK-Systemen sorgen müssen, müssen Formel-1-Ingenieure die von den Bremsen erzeugte starke Hitze bewältigen. Pitotrohre messen den Luftstrom, der in die Bremskanäle eintritt, und sorgen so für eine ausreichende Kühlung und verhindern ein Nachlassen der Bremsleistung oder schlimmer noch, einen Ausfall!

• Reifenwirbel-Studien: Die turbulente Luft um die Reifen (der „Reifenwirbel“) kann den Luftstrom über dem Rest des Fahrzeugs erheblich stören. Pitotrohre helfen den Ingenieuren, diese Störung zu verstehen und zu minimieren.

• CFD-Validierung: Computational Fluid Dynamics (CFD) wird in großem Umfang zur Simulation von Luftströmen eingesetzt, aber diese Simulationen müssen anhand von Daten aus der realen Welt validiert werden. Pitotrohrmessungen liefern diese entscheidende Validierung.

Herausforderungen und Überlegungen

Die Verwendung von Pitot-Rohren in der extremen Umgebung eines F1-Wagens bringt einige einzigartige Herausforderungen mit sich:

• Vibrationen: Stellen Sie sich die Vibrationen vor, denen ein Pitot-Rohr bei 320 Kilometern pro Stunde ausgesetzt ist! Diese Vibrationen können die Messgenauigkeit beeinträchtigen, sodass die Rohre unglaublich robust sein und sorgfältig montiert werden müssen.

• Temperatur: Die Lufttemperatur ändert sich während eines Rennens schnell, was sich auf die Luftdichte und damit auf die Geschwindigkeitsberechnungen auswirkt. Um dies auszugleichen, werden neben den Pitot-Rohren Temperatursensoren eingesetzt.

• Gier- und Neigungsempfindlichkeit: Pitot-Rohre sind am genauesten, wenn sie direkt auf den Luftstrom ausgerichtet sind. Ein Formel-1-Wagen dreht, beschleunigt und bremst jedoch ständig, sodass sich der Winkel des Luftstroms ständig ändert. Um diese Schwankungen zu korrigieren, werden ausgeklügelte Algorithmen verwendet.

• Blockierungseffekte: Das Pitot-Rohr selbst kann den zu messenden Luftstrom leicht stören. Ingenieure minimieren dies durch sorgfältige Konstruktion und Platzierung.