In de GP’s is bijna elke motor nu voorzien van vleugeltjes voorop de kuip. Het wordt ook mode bij straatmotoren, zoals de nieuwe Fireblade en de nieuwe Ducati Streetfighter. Hoe werken ze en wat voor nut hebben ze?
Tekst: Peter Aansorgh, Beeld: Peter Aansorgh, fabrikanten
Winglets kunnen ervoor zorgen dat de voorkant van een motorfiets harder op het asfalt wordt gedrukt als je hard rijdt. Dan kun je harder remmen. Winglets kunnen er ook voor zorgen dat de luchtweerstand van de motorfiets wordt verlaagd. Dat hangt allemaal af van de vorm van de winglets en hoe de lucht er langs, over en onderdoor stroomt. Er kunnen zo verschillende effecten optreden.
Massa
Het eerste effect wordt veroorzaakt door botsing met de lucht, waar de motorfiets doorheen rijdt. Lucht bestaat voor 78% uit stikstof en 21% zuurstof. Dan zit er nog wat waterdamp in, wat CO2 en wat edelgassen. Dat weegt allemaal weinig, maar het weegt niet niks. Het weegt op zeeniveau om precies te zijn 1,293 kg/m3 bij 1 atmosfeer druk en 0° Celsius. Hoe hoger de luchtdruk, hoe zwaarder, want dan zitten er meer “luchtmoleculen” op elkaar gedrukt. Hoe hoger de temperatuur – bij gelijke luchtdruk – hoe lichter, want lucht zet uit als het warm wordt. Dan zitten de moleculen verder uit elkaar en zitten er dus minder in een kubieke meter. Maar lucht heeft massa en dus kost het verplaatsen van lucht kracht, want je moet de massa lucht, waarvan je de plek je wilt innemen, uit de weg drukken. Nu zijn winglets natuurlijk maar klein, maar er gaat een boel lucht overheen, want de lucht, die van de neus van de motor komt, moet samen met de lucht die recht voor de winglet aan komt stromen over het vleugeltje heen wegvloeien.
Angle of Attack
Het vleugeltje – of de vleugels, want vaak zijn het er meer – staan in een hoek ten opzichte van de rijrichting van de motor, zodat de lucht die er overheen stroomt omhoog wordt afgebogen. In het geval van de Ducati Streetfighter zie je dat de hoek ongeveer 30° is: dat is de invalshoek of “angle of attack”. Deze hoek zorgt ervoor dat de lucht, die over de winglet stroomt, naar boven wordt afgebogen. De kracht, die daarvoor nodig is, wordt geleverd door de winglet, waarbij de lucht op zijn beurt dezelfde, maar tegengesteld gerichte kracht op de winglet uitoefent. Actie is min reactie, tenslotte, er is altijd evenwicht. De reactiekracht kun je ontbinden in een kracht in de rijrichting van de motor en een kracht loodrecht daarop, dus loodrecht op het asfalt. Die component duwt de motor naar beneden. Het geeft dus downforce. De andere kracht zorgt voor een verhoging van de luchtweerstand en kost topsnelheid.
Bernoulli
De downforce wordt niet alleen door de angle of attack veroorzaakt: ook de vorm van de vleugel speelt een rol. Dat zie je bij vliegtuigvleugels: daar is de bovenkant van de vleugel bol, terwijl de onderkant min of meer vlak is. Daardoor moet de lucht, die over de bovenkant van de vleugel stroomt, een grotere weg afleggen. Dat heeft een interessant effect, dat in 1738 werd ontdekt door Daniel Bernoulli. Die liet een vloeistof door een buis met een vernauwing stromen. Er gaat evenveel vloeistof de buis in als er uitkomt, dus stroomt er ook evenveel vloeistof door de vernauwing. Dat kan alleen als die vloeistof daar sneller stroomt. Het kost echter energie om iets te versnellen. Waar komt die vandaan? Bernouilli realiseerde zich dat een vloeistof meerdere vormen van energie heeft: temperatuur, druk, hoogte en snelheid. Wanneer één bepaalde vorm van energie toeneemt, zonder dat er van buitenaf energie wordt toegevoegd, dan kan die energie alleen uit een van de andere vormen komen. Zijn experimenten bevestigden zijn theorie: wanneer de stroomsnelheid bij een vernauwing toeneemt, dan daalt de druk daar. Dat geldt ook voor lucht en ook voor een vleugel: doordat de luchtsnelheid boven de vleugel groter is, is de druk lager. Dat geeft lift. Als je zo’n vleugel ondersteboven ontwerpt, zodat de bolle kant onder ligt, dan geeft het downforce.
Luchtweerstand
De nieuwe Aprilia RS660 heeft ook winglets, maar eigenlijk bijna alleen verticaal en zonder “angle of attack” Datzelfde zie je bij vrachtwagens. Die hebben de winglets dan ook niet voor de downforce, maar voor vermindering van de luchtweerstand. Zonder die winglets of zijspoilers zou de lucht van het front van de vrachtwagen haast dwars op de rijrichting opzij worden geblazen, waar de lucht botst met de lucht die langs de vrachtwagen zou stromen. Het kost niet alleen veel kracht om die lucht daar tegenin te blazen, maar het zorgt er ook voor dat de lucht gaat tollen, waardoor er een grote turbulentiezone ontstaat. Normaal zou die lucht netjes “laminair” stromen, in laagjes. De vrachtwagen schuurt langs de lucht en trekt een laagje mee, het volgende laagje wordt door de wrijving tussen luchtmoleculen meegetrokken en zo krijg je laagjes met een verschillende luchtsnelheid. Wordt de snelheid te hoog of heb je een beroerde vorm, dan gaat de lucht tollen en krijg je turbulentie, die de vrachtwagen veel harder tegenwerkt dan laminaire stroming. Om dat te voorkomen heeft de vrachtwagen de zijspoilers. Die buigen de lucht van het front om, zodat ze mooi vlak langs de auto stroomt en de turbulentiezone wordt verkleind. Gezien de vorm van de winglets op de RS660 is het Aprilia ook meer te doen om een lage luchtweerstand en daarmee een hoge topsnelheid, dan het creëren van downforce.
Remweg
De ene winglet is dus bedoeld voor minder luchtweerstand, de andere voor meer downforce. De bedoeling van dat laatste is om meer grip in hele snelle bochten te creëren en om de remweg te verkorten. Scheelt dat veel? Bij Ducati claimt men dat de winglets een downforce van 28 kg geven bij 270 km/uur. Laten we eens rekenen wat dat uitmaakt, bij een remming waarbij het achterwiel los komt en dus al het gewicht op het voorwiel staat. De maximale remkracht is de maximaal mogelijke wrijvingskracht. Dat is de verticale of “normaal”-kracht waarmee de band op het wegdek wordt gedrukt, maal de wrijvingscoëfficiënt tussen rubber en asfalt: Fw = Fn x μw. Die wrijvingskracht levert een remvertraging op waarbij geldt: kracht is massa maal versnelling, oftewel Fw = m. a. Daaruit volgt dat m. a = Fn x μw. Gewoonlijk is Fn de massa van de motor en rijder x de zwaartekracht G (9,81m/s2), nu is het de massa + 28 kg x de zwaartekracht. Dus m. a = (m+28) x G x μw Stellen we μw gemakshalve even op 1 en het gewicht van de motor + rijder op 250 kg dan is de vertraging met downforce 278/250 x G oftewel 1,112 G, terwijl het anders 250/250 x G zou zijn, oftewel 1G. Het scheelt dus 11% in remkracht bij 270 km/uur.
Bochten
Aangezien de luchtweerstand kwadratisch toeneemt met de snelheid en dus afneemt met dalende snelheid is het positieve effect van de vleugels op de remkracht snel verdwenen, bovendien kun je je afvragen of er zonder downforce niet al meer remkracht is dan je kunt gebruiken zonder over de kop te slaan. Het nut zal hem dan ook meer zitten in het moment dat de rijder de rem inknijpt, als de wieldruk door de gewichtsverplaatsing bij het remmen nog niet heeft plaatsgevonden. Bij een ideale gewichtsverdeling van 50%-50% rust er dan normaal 125 kg op het voorwiel, met winglets 125 kg + 28 kg downforce. Daarmee kun je 22% harder remmen en is de kans dat je je onderuit remt als je remmend een snelle circuitbocht instuurt een stuk kleiner. Op straat is het effect bij onze toekomstige, stikstofvriendelijke topsnelheid van 100 km/uur is natuurlijk nihil…
Vond u dit een goed artikel? Dan zou ik het op prijs stellen als u me op een kop koffie trakteert! U kunt een kleine bijdrage storten via de “donatie” knop in de menubalk. Bij voorbaat dank!