F1 Techniek | Mercedes vindt vermogen, maar Red Bull blijft koel in Mexico

Komend weekend staat de Grand Prix van Mexico op het programma, van 5 tot en met 7 november. Het circuit en de locatie is op vele manieren bijzonder te noemen, maar wat het echt uniek maakt is de hoge ligging, op maar liefst 2286 meter. Hierdoor is de luchtdruk maar liefst 23 procent lager dan op zeeniveau. De luchtdensiteit en de beschikbare hoeveelheid zuurstof volgen natuurlijk dit patroon. Dit levert grote uitdagingen voor de raceauto’s en voor de teams op. F1Maximaal duikt hier dieper op in, en analyseert diverse aspecten die van belang zijn.

Daarbij duiken we dieper in op de technische aspecten die beïnvloed worden door de lagere luchtdruk op het Autódromo Hermanos Rodriguez, zoals aerodynamische en mechanische grip, motorprestaties en koeling van motor, remmen en banden. We kijken vooral naar Red Bull en Mercedes, maar ook naar eventuele invloeden van bijvoorbeeld Ferrari, McLaren en andere teams die relevant zijn.

Autodrómo Hermanos Rodriguez vanuit de overdekte tribune (Foto: Red Bull Content Pool/Getty Images

Red Bull betere downforce, Mercedes zo glad als een aal

Aerodynamische grip is downforce. Downforce wordt verkregen door gebruik te maken van de bouw van de auto, meer of minder 'slippery', en het gebruik van vleugels en andere ontwerptechnieken om de downforce zo groot mogelijk te maken. De grote vijand van downforce is de luchtweerstand die het creëert, omdat luchtweerstand of drag nu eenmaal toeneemt met het kwadraat van de snelheid van een auto. Deze luchtweerstand wordt veroorzaakt door het aantal luchtdeeltjes waar de auto zich door voortbeweegt. Dat betekent weer dat de dichtheid van de lucht hier een belangrijke rol in speelt. Immers, hoe minder luchtdeeltjes, hoe minder luchtweerstand. Op grote hoogte is de luchtdruk lager, en hier is een verband, namelijk dat minder luchtdruk een kleinere luchtdichtheid betekent, dus minder deeltjes in de lucht om te verplaatsen, en daarmee minder drag of luchtweerstand.

Het Autódromo Hermanos Rodriguez ligt op grote hoogte, maar liefst 2286 meter, waardoor de luchtdruk en het aantal deeltjes in de lucht met maar liefst 23 procent afnemen ten opzichte van zeeniveau. Aangezien drag kwadratisch toeneemt met de snelheid, betekent dit dat de auto’s met veel grotere vleugels kunnen rijden zonder hier veel voor gestraft te worden met betrekking tot die snelheid. Dat gebeurt dan ook. Achtervleugels zijn hier vaak net zo groot als op hoge downforce-circuits zoals Monaco, terwijl de auto’s toch veel sneller kunnen rijden dan op zeeniveau. En dat blijkt ook echt, omdat Mexico één van de snelste circuits op het programma van de F1 is, met topsnelheden tot zo'n 360 kilometer per uur.

Nu zou je kunnen zeggen dat auto’s met een lage downforce, om mee te beginnen, hierdoor enorm in het voordeel zijn, zoals de Mercedes en de Aston Martin. Dat is echter niet helemaal waar, omdat het circuit snelle en langzame bochten kent. Voordeel is er op de rechte stukken voor deze auto’s, maar in die bochten heb je veel downforce nodig om die bochten ook te kunnen maken, en dan zijn de auto’s die van nature meer downforce hebben juist weer in het voordeel, omdat die met veel kleinere vleugels kunnen rijden. Hierdoor hebben ook auto’s met een hogere rake (de hoek van de bodemplaat met de ondergrond, red.), die van nature meer downforce produceren, een voordeel.

De auto's met de laagste en hoogste rake op de grid, Mercedes met een rake van 1,16 graden, Red Bull met een rake van 1,93 graden. De roodomrande gele driehoeken geven het verschil duidelijk aan (Foto's: Mercedes AMG F1 en Red Bull Content Pool/Getty Images).

De Red Bull en de AlphaTauri hebben hier de betere setup, gevolgd door de McLaren, en dan de Ferrari. De Mercedes en de Aston Martin met hun laagste rake op de grid ondervinden hier het meeste nadeel van. De diffuser speelt hier natuurlijk ook een grote rol, en dat is iets wat McLaren perfect voor elkaar lijkt te hebben. Het is wel zo dat deze lagere luchtdruk ook een grote equalizer is, omdat auto’s met een minder goede aerodynamische vormgeving, zoals de Haas, de Williams en de Alfa Romeo, hier een klein voordeel uit kunnen halen. Over het algemeen presteren deze teams echter achteraan de grid, dus de verwachting is niet dat het veel verschil zal maken in vergelijking met de overige teams.

Mechanische grip wordt gegenereerd door de ophanging en de banden. Red Bull heeft haar achterophanging qua aerodynamica geoptimaliseerd dit jaar door het voorbeeld van Mercedes van 2020 te volgen en dat nog verder te verbeteren door de naar achter geplaatste ophanging. Mercedes heeft echter in Silverstone een nieuwe achterophanging geïntroduceerd die per circuit gefinetuned kan worden om bij hogere snelheid de achterkant van de auto te verlagen.

De variabele achterwielophanging van de Mercedes W12 in actie op het Circuit of the Americas tijdens de Grand Prix van de USA in Austin, Texas, 20121 (Foto's: Ziggo Sport).

Dit soort systemen past elk team toe, maar de Mercedes heeft hier duidelijk de slimste en meest effectieve ophanging, gevolgd door de Ferrari. De McLaren en de Alpine doen het met een simpeler systeem, en de Red Bull en de AlphaTauri met relatief gezien het allersimpelste systeem. Een circuit mag echter geen hogesnelheidsbochten hebben om maximaal profijt uit zo’n geavanceerd systeem te halen. Het Autodrómo Hermanos Rodriguez heeft die echter wel, waardoor het voordeel dat Mercedes hier in Mexico uit zou kunnen halen slechts beperkt zal zijn.

Vermogend Mercedes, Red Bull betrouwbaar en meer lucht

Voor het creëren van voldoende downforce op zo’n hoog circuit zullen grotere achtervleugels nodig zijn. Door deze grotere vleugels zou je verwachten dat een groter motorvermogen in de kaart speelt van de teams met de beste motor. Een motor op grote hoogte levert echter minder vermogen, omdat er minder zuurstof is voor het maken van een optimaal brandstofmengsel. De motor kan dus niet zijn maximale vermogen leveren, en dit brengt de motorvermogens dichter bij elkaar dan dat ze normaal zijn en nivelleert daarmee de verschillen in vermogen enigszins. Dit biedt dus een voordeel voor de traditioneel langzamere auto’s.

Gelukkig is het niet zo dat de bolides hierdoor vermogen verliezen in lijn met de lagere luchtdruk, zo’n 25 procent. Dit is te danken aan het feit dat er turbo’s gebruikt worden. Een turbo comprimeert de lucht door op enorme snelheid te draaien en daardoor ongeveer driemaal zoveel lucht de motor in te persen dan normaal mogelijk zou zijn. Hierdoor kan er meer brandstof met zuurstof vermengd worden. Dit zorgt voor een betere vulling van de cilinders, dat op zijn beurt weer helpt bij verbranding voor het leveren van meer vermogen. Er blijft echter minder lucht beschikbaar, en er is een maximum aan de prestatie van een turbo, en dat betekent dat de lagere luchtdruk nog steeds een enigszins nivellerend effect heeft.

Schema van de Honda RA621H-motor, die de RB16B van vermogen voorziet (Foto: Honda Racing).

De ontwerpen van de gebruikte turbo’s zijn niet allemaal hetzelfde. De Renault-motor had vroeger de grootste turbo, en dit werkte in het verleden voor Red Bull erg goed. De Honda-motor beschikt echter nu over de grootste turbo in de F1 en maakt bovendien gebruik van straaljagertechnologie om tot zijn prestaties te komen. Deze is daarmee waarschijnlijk de beste turbo beschikbaar in de F1 op dit moment. Mercedes heeft dit jaar haar turbo ook verbeterd, en deze als het ware ‘opgevoerd'. Deze nieuwe turbo is echter nog niet bewezen op hoogte, aangezien deze pas in Silverstone geïntroduceerd is.

Red Bull was oppermachtig in Oostenrijk, maar dat was op ruim 700 meter hoogte, niet 2286 meter. De nieuwe Honda-motor zal het hier zeer waarschijnlijk zeer goed doen. Het voordeel qua turbo ligt dus bij Red Bull, maar Mercedes en dus ook McLaren zullen dichterbij zitten. De status van Ferrari hierin is niet duidelijk vanwege hun onlangs geïntroduceerde motor-upgrade, maar zij beschikken over een kleinere turbo, en zitten daarmee vermoedelijk voor dit aspect achter McLaren. Dit alles betekent dat AlphaTauri ook goed zal zijn in dit opzicht, evenals Alpine. De overige teams zullen in dit opzicht op hetzelfde niveau zitten als Mercedes en Ferrari, op basis van de geïnstalleerde motor.

Als indicatie ligt het gemiddelde verlies van motorvermogen op de hoogte van het circuit in Mexico rond de 3 procent van het totaal vermogen. Ervan uitgaande dat Red Bull Honda en Mercedes momenteel over ongeveer 1000 pk in totaal vermogen beschikken, betekent dat dat ze terugvallen naar ongeveer 970 pk. Wel is het zo dat Mercedes haar motoren verder heeft opengeschroefd door middel van motormapping dan wie ook, en heeft daarmee waarschijnlijk rond de 20 pk weten te vinden. In Austin, Texas, heeft Honda het maximale vermogen vrijgegeven voor Red Bull, en daarmee kregen zij ongeveer 16 pk meer ter beschikking. De geruchten gaan echter dat Mercedes nog eens een pk of 12 gevonden heeft met mappings, die ze in de strijd zullen gaan gooien in Mexico. Mercedes lijkt daarmee de sterkste motor te hebben voor deze race.

Betrouwbaarheid van de motoren is ook een mogelijk issue. Mercedes kampt al enige tijd met problemen omdat ze de motoren tot het uiterste belasten om het hoofd te kunnen bieden aan de opmars van Red Bull. Honda heeft met de introductie van de nieuwe motor, de RA621H, momenteel de meest betrouwbare motor op de grid. Ferrari’s nieuwe motor is nog een onbekende factor in dit geheel, terwijl de Renault-motor in deze altijd erg variabel was, maar wel goed presteerde op hoogte.

Red Bull heeft hier het voordeel, waarschijnlijk gevolgd door Ferrari en mogelijk Alpine, met Mercedes achteraan, en de afnemers van een Mercedes-motor slechts lichtelijk in het nadeel, omdat zij niet de agressieve motormappings van Mercedes gebruiken. Op hoogte worden motoren echter qua vermogen fysiek wat minder belast, wat waarschijnlijk ook de reden is dat Mercedes alleen specifiek voor Mexico die extra 12 pk heeft weten te vinden.

Te weinig koeling, wat doet dat?

Koeling is afhankelijk van het aantal luchtdeeltjes en de temperatuur van die luchtdeeltjes die langs radiator, remmen en banden stromen. Er zijn er in Mexico op die hoogte minder van, en bovendien is het er warm, met verwachte temperaturen van rond de dertig graden. Dat betekent automatisch dat er een stuk minder koeling beschikbaar is. Als de temperatuur van motor, remmen of banden te ver oploopt, zal er langzamer gereden moeten worden, om te voorkomen dat onderdelen stuk gaan of niet meer optimaal presteren.

Motortemperaturen in delen van een een F1-motor kunnen oplopen tot zo’n 1100 graden, dus goede koeling is absoluut vereist. Motorkoeling is altijd al een zwak punt geweest van Mercedes, waar ze wel aan gewerkt hebben eind 2020, maar het is nog steeds niet zo goed als bij andere teams. Dit heeft ook te maken met de grote efficiëntie van de Mercedes-motor, die het zuinigst rijdt van allemaal, maar daardoor ook veel meer hitte produceert, net zoals bij moderne, zuinige straatauto’s. Red Bull had altijd al een goede koeling, en dat is niet veranderd.

De Honda RA621H in de testfaciliteit van Honda in Japan (Foto: Honda Racing).

Met de introductie van de RA621H heeft Honda bovendien een nieuwe coating toegepast op inwendige delen, die maakt dat de motor nog beter bestand is tegen inwendige hitte. Door de lagere luchtdichtheid, en het daarmee gepaard gaande kleinere koelvermogen van de lucht, ligt het voordeel bij de Red Bull, mogelijk de Ferrari op de tweede plek samen met de Alpine, en de Mercedes, de McLaren en de overige afnemers van Mercedes-motoren daarachter pas. De AlphaTauri zit daarmee natuurlijk ook goed, aangezien zij immers dezelfde motor gebruiken als Red Bull.

Gezien de spannende manier waarop alleen F1-bolides kunnen remmen, erg laat en met enorme remvertraging, is de remtemperatuur ook van zeer groot belang, en daarmee ook weer de koeling van die remmen. Als ze te heet worden, kunnen remmen verglazen, en verliezen daarmee hun remvermogen. Dit kan tot catastrofale gevolgen leiden. Mercedes hanteert al jaren vrij kleine remkoelingsinlaten, en blikt effectief haar remmen ook nog eens in voor het verlagen van de luchtweerstand. Dit maakt echter wel dat de remmen al erg snel erg heet kunnen worden, iets wat we al meerdere malen hebben mogen aanschouwen op spectaculaire wijze.

Brandende rem, Mercedes W10, Japan (Foto: Ziggo Sport).

Vermoedelijk heeft het ontwerp van Mercedes ook te maken met het op temperatuur krijgen van de banden, en is dit de reden dat de Mercedes het meestal beter doet bij lagere temperaturen dan bij hogere. De Red Bull heeft een open systeem, waardoor koeling een stuk beter is. Ook voor dit punt geldt dat de capaciteit van luchtkoeling door de lagere druk veel minder is. Effectief betekent dit dat Mercedes hier een nadeel ondervindt door haar remkoelingsimplementatie, evenals Aston Martin, dat hetzelfde principe volgt. Red Bull, McLaren en Ferrari zijn hier top, de rest ligt ergens tussen deze groep en Mercedes.

Het rubber, de banden dus, is een verhaal apart. Banden oververhitten makkelijker in Mexico door het gebrek aan koeling, en in het verleden was Red Bull oppermachtig in het onder controle houden van de bandentemperatuur. Mercedes heeft het voordeel dat de achterbanden die sinds Silverstone in gebruik zijn beter aansluiten op het ontwerp van de W12, zodat ze daar beter mee kunnen omgaan. Mercedes moet het echter liefst hebben van koelere baantemperaturen. Daar zal echter in Mexico geen sprake van zijn met verwachte temperaturen van rond de 30 graden. Voordeel dus voor Red Bull, nadeel voor Mercedes, met Ferrari en McLaren waarschijnlijk daartussenin.

Formule 1 banden (Foto: Pirelli).

Stuivertje wisselen of toch niet?

De voor- en nadelen van de eigenschappen hierboven benoemd zijn gecombineerd in een tabel, zie hieronder. Laat het wel duidelijk zijn dat de gebruikte plussen geen absolute waarden vertegenwoordigen, omdat de voor- en nadelen nu eenmaal niet in echte cijfers uit te drukken zijn. Het feit dat het veld aan de top en in het midden zo dicht bij elkaar ligt dit jaar helpt daar ook niet in mee. De plussen geven alleen een relatieve positie aan voor de besproken onderwerpen, en zijn gewaardeerd voor die relatieve voordelen, zoals benoemd per onderwerp.

Alhoewel we het hier hebben over relatieve indicaties, is wel verrassend om te zien dat de tabel redelijk de verwachtingen voor de bolides voor de situatie in Mexico lijkt weer te geven, met uitzondering van de AlphaTauri. Dit team zou het best goed moeten kunnen doen gezien de technische kwaliteiten van hun auto, maar ondervindt waarschijnlijk veel nadeel van het feit dat hun jongste coureur nog niet alles uit de auto weet te halen.

Tabel: Analyse Grand Prix Mexico 2021

Op basis van de aangehaalde technische criteria, ziet het ernaar uit dat over het geheel genomen de Red Bull-bolide in Mexico iets beter gepositioneerd is dan de Mercedes voor een goed resultaat, gevolgd mogelijk door de Ferrari en de McLaren. De Alpine en de AlphaTauri kunnen we echter ook niet volledig uitsluiten, zij het in een strijd iets meer op de achtergrond. Over het geheel genomen lijkt dus de Red Bull een licht voordeel te hebben, gevolgd door de Mercedes, terwijl de Ferrari en de McLaren op gelijke hoogte met elkaar lijken te liggen, gevolgd door de Alpine, de Aston Martin en de AlphaTauri, als die laatste haar technische belofte weet waar te maken.

De verschillen vooral aan de top zijn echter erg klein, en het ziet ernaar uit dat met de huidige technische status van de bolides, weer heel veel zal afhangen van de afstellingen specifiek voor dit circuit, de strategie, en de vaardigheden van de coureurs. Met andere woorden, alles wijst erop dat we weer een enorme thriller tegemoet gaan gedurende het weekend van 5 tot 7 november.

Door: Wim G. Vandebilt