L’AERODINAMICA DELLA FORMULA 1 – Come capire la pressione attorno alle vetture di F1

Riprendiamo il discorso che con la rubrica “L’aerodinamica della formula 1” era rimasto fermo a prima della gara di Melbourne. Affronterò di seguito un capitolo molto teorico, ma che servirà per spiegare in seguito un esempio pratico davvero degno di nota.

Abbiamo parlato da sempre di venturi. Sappiamo che la pressione diminuisce quando la velocità aumenta e viceversa. È stato anche analizzato il principio fisico relativo. (Qui Il LINK per l’articolo di approfondimento)

Quello che dobbiamo chiederci ora è: quanto può variare la pressione all’interno di un fluido che si muove attorno ad una vettura di formula1? Può variare su un range di valori esteso o ha dei limiti rigidi e non valicabili?

In sostanza, cerchiamo di dare dei numeri che ci possano aiutare a trarre le giuste conclusioni per quanto riguarda le domande lecite appena poste, definendo il range di variazione della pressione all’interno della corrente di aria. Questo ci servirà in seguito, quando vorremo analizzare un particolare pratico di notevole interesse.

Cominciamo.

Per rispondere a queste semplici domande dobbiamo andare più a monte del problema e chiederci quale è la pressione, la temperatura e la densità del flusso prima che questo incontri un’auto di formula1. Guardiamo lo schema.

Quando l’aria è ancora molto lontana dall’auto in corsa, le condizioni di pressione e temperatura sono le condizioni ambiente del luogo in cui si svolge la corsa: se ci trovassimo a Austin in Texas e se il sole splendesse in alto nel cielo, ci aspetteremmo una pressione atmosferica di circa 1,01 atmosfere e quasi 20°. Questi valori rappresentano i due indici To e Po nello schema precedente.

l’insieme di dati appena forniti viene definito la condizione a monte, o all’infinito. La macchina ancora non l’ha perturbata.

Scopriamo poi che la pressione, ad una certa velocità viene gestita dalla seguente formula:

Cosa significa la precedente scrittura? (Attenzione, perché è proprio qua che si nasconde il trucchetto)

Quando una vettura di formula 1 corre attraverso l’aria, si genera una corrente relativa. NON sbaglio a dire che è come se fosse la vettura ferma e le molecole di ossigeno in movimento. (Concetto per altro riadattato alle normali gallerie del vento se ci pensate)

Abbiamo visto inoltre, grazie al tubo di Venturi, che più l’aria scorre rapidamente e minore sarà la sua pressione. In sostanza: la pressione di un flusso scende a discapito della sua velocità.

Nella formula precedente, Ptotale è proprio la pressione ambiente Po (esempio, Austin Texas, 1,01 bar) e, più la vettura corre veloce, maggiore sarà la parte di pressione che si convertirà in energia cinetica grazie al termine presente nell’equazione e qua ripreso:

In sostanza, quando la macchina assume velocità sempre crescenti, rimane soggetta ad una pressione minore di quella che realmente è presente in quel luogo, quel giorno.

Esempio: quando l’auto corre a 200kmh, anche se quel giorno ad Austin si rilevano 1,01bar, la vettura “ne subisce” solamente 0,99!

In media, una vettura di formula 1 incontra un flusso con pressione minore di quella dell’ambiente circostante e se pensate all’effetto Venturi, tutto torna, proprio perché è come se l’aria fosse già in parte accelerata. Se la vettura subisce pressioni minori della pressione ambiente, per via dell’equazione scritta in precedenza, allora significa che la pressione ambiente è il limite massimo oltre al quale non si può andare!

Ci viene quindi facile capire quali sono i range di variazione della pressione attorno ai profili aerodinamici della vettura in questo senso e sapremo che in ogni caso, sempre e comunque, non avremo mai più di (circa) 1 bar, e mai meno di (circa) 0.8 bar (a seconda di quanto sono spinte le superfici aerodinamiche che accelerano ulteriormente la corrente).

Non è il range esteso che vi aspettavate? In effetti è molto basso ed è per questo che i tecnici si sfidano di giorno in giorno per sfruttare al massimo le soluzioni a loro disposizione.

Esistono però alcuni punti su una vettura di formula 1 sui quali la pressione riesce a tornare di nuovo quella massima, ovvero la pressione ambiente (approssimativamente 1 bar) e sono detti i “punti di arresto”.

Il punto di arresto è un punto dove la corrente si arresta perché incapace di aggirarlo, come suggerisce lo schema che segue.

In quei punti, l’aria è ferma rispetto all’auto, perché vi urta completamente contro senza scampo. Quelli sono gli unici punti dove non esiste velocità relativa tra molecole d’aria e vettura. Come suggerisce il concetto del tubo di Vetturi, proprio perché le molecole non possiedono velocità relativa rispetto all’auto, è come se si recuperasse al massimo la pressione originale, ovvero la pressione ambiente.

Se guardiamo alla formula precedente, vediamo il termine di velocità annullarsi completamente e la pressione che diventa nuovamente quella massima possibile. (Ad Austin, per esempio, non 0.99, ma 1.01) Aria ferma, uguale a aria non accelerata, uguale a pressione massima.

Per capire dove si trovano usiamo una semplicissima immagine nelle quale compaiono sagome rosse in corrispondenza delle aree appena descritte:

In sostanza, sono tutte quelle zone, anche di dimensioni ridotte, dove l’aria impatta con più forza contro una parete quasi “verticale” rispetto al flusso in arrivo.

Riepilogando, raccontato in generale come si comporta e quali valori assumi la pressione attorno ad una vetttura di F1, voglio fermarmi esattamente qua, per ora. Siamo arrivati a descrivere quelli che vengono identificati come punti di arresto.

I punti di arresto sono caratterizzati da una velocità relativa tra flusso e auto pari a 0. Ciò significa che l’aria, in queste zone della macchina, non si muove rispetto alla vettura stessa e questo perché vi urta contro senza possibilità di aggirarla(vedere schemi precedenti). il risultato è un incremento di pressione fino alla pressione massima.

Il risvolto pratico, come detto ad inizio articolo, lo vedremo tramite lo studio di un particolare aerodinamico di estrema importanza ma del tutto invisibile ad occhio nudo e il tutto nel prossimo articolo. Non mi resta quindi che salutarvi e raccomandarmi di continuare a seguirci numerosi! continuate a scrivere tutti i vostri dubbi e le vostre opinioni!

Da Alberto Aimar.

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