La scia aerodinamica in numeri, attendendo il GP di Russia.

In questo capitolo riguardante la teoria della formula 1 ho intenzione di riprendere un concetto molto importante e, a dire il vero, abbastanza sottovalutato. Discuteremo degli effetti della scia sulle vetture di formula 1 e il motivo è molto semplice: trascorsi due appuntamenti come il gran premio del Belgio e il gran premio d’Italia, l’idea comune che ho percepito è stata quella di attribuire fin troppi meriti alle unità propulsive.

Non si fraintenda: i cavalli sono fondamentali, ma non sono i soli ad aver aiutato Vettel nel sorpasso di Hamilton sul lungo rettilineo del Kemmel, o Hamilton a sopravanzare Raikkonen a Monza. Una scia più che adeguata, in entrambi i casi, ha fornito il “boost” necessario ai piloti per eseguire le manovre.

Conseguentemente, per allontanare ogni dubbio e In attesa del GP di Russia, dove si percorrerà uno dei rettilinei più lunghi del mondiale (1300 metri circa) è necessario considerare gli effetti del fenomeno aerodinamico in questione e dei vantaggi che può fornire sulle vetture che inseguono.

Tutto comincia quando le automobili aumentano la loro velocità. Inizialmente il flusso è in grado di aderire a tutte le superfici, anche se estremamente forzanti ed aggressive.

Il motivo è molto semplice: vista la velocità contenuta, le molecole di aria hanno il tempo per poter aggirare gli ostacoli che, trattandosi di Formula 1, sono costituiti da alettoni, diffusori, deviatori e pneumatici.

Un elemento con curve marcate come un’ala posteriore viene comunque avvolta per intero senza causare perdite di equilibrio sul flusso, il quale si mantiene laminare.

I problemi sorgono quando la vettura inizia a correre con più rapidità attraverso l’atmosfera. Con l’auto che si sposta più velocemente, anche le molecole di aria raggiungono le superfici delle monoposto con più energia e i tempi a disposizione per poter circolare attorno ai profili, conseguentemente, si riducono.

Tra le superfici e le particelle cresce la depressione e le linee di corrente tendono a staccarsi dalle pareti delle appendici aerodinamiche. Il fenomeno è dettato dall’inerzia che anche il gas possiede e che in queste situazioni viene posta in risalto. Nella figura che segue, la linea rossa rappresenta un flusso che per colpa di un cambio di direzione repentino, tenderebbe a svincolarsi e ad allontanarsi, incapace di mantenersi aderente all’ala.  

Sebbene l’illustrazione riprenda ancora l’esempio di un alettone posteriore, si ricordi che l’effetto vale anche per tutti gli altri componenti a bordo macchina.

L’unico modo che le linee di corrente conoscono per poter rimanere vincolate sulla superficie, oltre un certo livello di depressione, è quello di abbandonare un regime lineare per acquisirne uno turbolento. Creando vortici e rotazioni repentine, gran parte del flusso riesce a costruire un vero e proprio ricircolo dietro alle superfici più complicate da avvolgere.

Tale ricircolo, che in fondo è composto da una serie di vortici macroscopici, rappresenta di fatto una porzione di flusso che si ferma e anzi, insegue l’auto durante la sua corsa. Nello specifico, l’illustrazione che viene citata di seguito e che ritrae test svolti su una Honda RA107 in galleria del vento, può aiutare a capire il concetto appena espresso.

Fonte: Honda

Video: Formula 1 – Honda RA107 Windtunnel Test – Nadine Geary

Link: https://www.youtube.com/watch?v=L-8HhloJTGY

Come ben visibile dalle sequenze riportate in precedenza, un flusso molto ordinato di aria incontra e circonda la vettura senza grandi distorsioni, almeno per ciò che concerne il frame 1 e il frame 2. Purtroppo, la situazione degenera per le particelle che incontrano le superfici deportanti posteriori(frame 3 e 4). Basta pochissimo spazio percorso dietro all’alettone posteriore per percepire un completo deterioramento delle linee di corrente, prima ben distinguibili ed ordinate. Come la traccia fluida di colore bianco fluisce sulle superfici dell’elemento aerodinamico, quella che era prima una linea netta diventa una numbe poco identificabile.

Suggerisco agli appassionati di guardare tutto il video per percepire ancora meglio il fenomeno: è davvero ben girato e esaustivo.

In questo senso, la velocità relativa tra corrente e elemento di ostacolo, che nel caso delle vetture di formula 1 è rappresentato dalle superfici aerodinamiche, si annulla o si riduce sensibilmente.

Qualora un veicolo inseguitore fosse vicino alla monoposto che genera la scia, approfitterebbe di un vero e proprio tunnel dentro il quale l’aria scorre alle stessa velocità delle auto (o simile).

Affrontando l’argomento da un punto di vista di resistenze aerodinamiche, non ci stupiremmo del grande vantaggio che la scia può regalare all’inseguitore. Basti pensare che al contrario di una utilitaria media, in grado di generare coefficienti di resistenza “Cd” vicini allo 0,3, una vettura da formula 1 raggiunge valori prossimi a 0,75.

In questo senso, avere l’aria a favore può comportare un grande vantaggio. Del resto, riportando la teoria appena analizzata al sorpasso che  Vettel compie ai danni di Hamilton lungo il rettilineo del Kemmel, Belgio, le ipotesi potrebbero condurre alla seguente conclusione.

Quando Hamilton, in uscita delle due curve di Eau Rouge e Radillon, possedeva una velocità di circa 315kmh, Vettel poteva vantare almeno 7-8 kmh grazie all’effetto della scia.

La differenza di 8kmh ha aiutato il tedesco a sorpassare l’inglese durante il primo giro e grazie ai dati di cui disponiamo è anche possibile capire quanto è valsa in tale occasione il surplus di potenza “virtuale” regalata alla rossa.

Utilizzando la formula che lega il coefficiente di resistenza aerodinamica alla velocità:

Con 8 kmh in più segnati dalla monoposto di Maranello, il risultato di forza resistente si sarebbe attestato, senza scia, a 9245N contro i 8792N agenti sulla Mercedes (più lenta su quel tratto). (Valori di stima)

Considerando che la potenza viene calcolata come il rapporto della forza per la velocità (D*V), sarebbe possibile dire che la Ferrari disponeva di una potenza “virtuale” di circa 820KW contro i 770KW stimati per l’auto della stella a tre punte.

Una differenza di 50KW ha regalato a Vettel una occasione perfetta per sopravanzare Hamilton: La scia ha permesso un surplus di potenza “virtuale” del 6% (quasi 68CV)

Ecco l’utilità della scia sulle vetture di formula 1: i dati sono stimati e sicuramente non precisi, potrebbe essere ipotizzabile il 5% di surplus “virtuale” di potenza per considerarci cautelativi, ma non si può sottovalutare l’effetto che questo particolare fenomeno aerodinamico regala alle monoposto.

Come detto, in Russia verrà percorso uno dei rettilinei più lunghi del campionato e i due concorrenti per il titolo dovranno stare attenti a vicenda. Partire in seconda posizione non sarà un handicap elevato e durante i primi giri, tutto potrà ancora essere deciso. Di sicuro, 70 cv in più non dispiacerebbero a nessuno.

Attendiamo quindi con ansia la partenza di un nuovo appuntamento per l’anno 2018. Non vediamo l’ora.

A presto dall’ing. Aimar Alberto.