News F1 – L’AERODINAMICA DI UN MUSETTO DI FORMULA 1 – PARTE 1

Parliamo di musetti in generale, prima di approfondire il nuovo muso Caterham, che è forse una delle innovazioni più evidenti tra quelle avvenute a SPA.

Ho deciso di affrontare il discorso in senso più amplio per dare innanzi tutto una idea ai lettori di come la parte frontale può effettivamente condizionare le prestazioni di una formula 1, e per poter dare una serie di risposte ai molti che in questi giorni hanno chiesto quanto può essere importante un musetto in una vettura come queste.

Dobbiamo innanzi tutto considerare una serie di fattori in una valutazione attenta di una forma soggetta ad un flusso di aria:

–         il primo aspetto da considerare è la cosiddetta resistenza di forma, ovvero ciò che è la geometria dell’oggetto. Ciò significa capire le dimensioni, la curvatura,  e tutto ciò che contribuisce a deformare il flusso attorno ad esso. (per esempio la forma a goccia tipica dell’acqua quando piove, la forma del profilo alare delle ali di un velivolo, la forma a cilindro della sua fusoliera, oppure la forma che assumono i vari profili dell’anteriore delle formula 1)

–         il secondo aspetto è un particolare tipo di resistenza che deriva dallo “strato limite” che l’aria crea sulla superficie dell’oggetto (vien da se che più la superficie dell’oggetto esposta al flusso è amplia, e più l’oggetto è allungato, più avremo strato limite, che come detto è una sorta di attrito viscoso)

–         eventuali zone di arresto dove il flusso viene fermato, e dove quindi notiamo un aumento repentino della pressione in tale zona. Chiaramente se fermiamo il flusso nella parte anteriore della vettura avremo un aumento di pressione nella che dall’anteriore spinge verso il posteriore, creando resistenza.)

in generale tutti questi aspetti vengono racchiusi in un dato molto importante e che aiuta le varie case automobilistiche a semplificare i calcoli, per esempio usando la galleria del vento: il Cx.

Cx = coefficiente di resistenza all’avanzamento di un vettura (da non confondere con il Cd che invece è quello riguardante l’aeronautica)

Tipici valori di Cx si aggira no tra 0.25 fino a 0.4/0.6 circa.

Questo Cx, per l’appunto, è un dato sperimentale che viene ricavato dalle simulazioni in gallerie del vento tramite i sensori che ricavano la resistenza della vettura all’interno del flusso, e quindi comprende tutti i fenomeni sopra descritti fornendo un “riassunto della situazione”.

Dato che il muso fa parte della vettura, anche esso verrà inserito nella galleria del vento, e perciò parteciperà attivamente all’innalzamento o abbassamento del Cx.

Allora capiamo meglio i tre fenomeni sopra descritti cosa vogliono dire.

 RESISTENZA DI FORMA

Cercando di descrivere la resistenza di forma, potrei dire che questa in pratica è lo sforzo che la vettura, o la parte sotto esame della vettura, deve compiere per spostare le molecole di aria presenti lungo il suo cammino per poter poter passare/penetrare il flusso.

Più un oggetto ha elevate dimensioni più le molecole interessate saranno molte e sarà più elevato lo spostamento che queste devono compiere.

Inoltre si potrebbe dire anche: più la sezione frontale dell’oggetto è elevata e più saranno le molecole interessate nello spostamento.

Un esempio era già stato fatto per quanto riguardava il confronto tra Mercedes e Ferrari, e si può ben vedere in questa figura:

Del resto si è visto il confronto con gli anni scorsi, per quanto riguarda i musetti, e si è capito che solo con l’obbligo da parte del regolamento le squadre ora li fanno così bassi rispetto al passato, quando erano sottilissimi e altissimi, per danneggiare il meno possibile il flusso.

Un altro esempio può essere ripreso dall’articolo che scrissi tempo fa riguardo le pance laterali della Ferrari, e riguardo alla loro forma… (leggi )

“Immaginiamo un qualsiasi oggetto investito da una corrente fluida, come per esempio quello in figura n.1, e lo confrontiamo con l’oggetto in figura n.2.

Consideriamo entrambi i profili investiti  da una corrente rettilinea .

Cosa capita:

l’aria che incontra i bordi frontali degli oggetti, deve ovviamente spostarsi per lasciare passare il corpo; come si sposta? Possiamo ipotizzare che se questi profili (come è) hanno una simmetria lungo una certa linea, allora la parte del flusso che si trova sopra questa linea verrà spostata verso l’alto.
Viceversa accadrà per l’aria presente al di sotto della linea di simmetria.
Allora diciamo che ogni molecola di aria assume una certa energia cinetica, per potersi spostare, e questa viene fornita proprio grazie all’energia cinetica del profilo che la investe; in un certo senso vi è uno scambio dal corpo al flusso.
Ora: nella parte posteriore invece avviene l’esatto contrario, il corpo sta passando e il flusso tenderà a ricompattarsi, restringersi di nuovo attorno ad esso. In un certo senso, se la parte di flusso sopra la linea di simmetria si sposta verso l’alto per lasciare passare l’oggetto, dopo, ritornerà verso il basso per richiudersi su di esso. Il flusso tornerà quindi ad essere rettilineo e indisturbato.
Anche se le due forme sono differenti, possiamo dire di certo che questo fenomeno avviene per entrambe, senza eccezioni. Il fluido prima si separa, poi si ricongiunge, ed in teoria (in teoria) è possibile pensare che quindi una volta passato l’oggetto, le molecole di aria non si sono spostate da dove erano prima: la posizione iniziale coincide con quella finale anche se nel mezzo hanno subito uno spostamento.

Per esempio, se ti sposti di 5 verso l’alto, poi ti sposti di 5 verso il basso in totale hai fatto 0.

Ma allora cosa cambia tra i due profili?

Perché uno dovrebbe resistere maggiormente all’avanzamento dell’aria?

Notiamo il profilo 1: nel posteriore si richiude molto più “lentamente”/in più spazio.

Ciò significa che se i due profili avanzano a velocità uguali, le parti di flusso che si richiudono attorno al primo, impiegheranno più tempo per richiudersi, o meglio, avranno più spazio per farlo.

La pendenza del tratto posteriore del secondo profilo, induce uno spostamento più rapido invece, la molecola deve spostarsi più velocemente per richiudere il flusso attorno al corpo

Se denominiamo come LAVORO, il fatto che agisce una forza sulla molecola (proprio grazie al fatto del passaggio del profilo, e quindi F generata dal profilo stesso) e questa forza agisce per un certo spazio “s”. Notiamo che per richiudere il flusso attorno ai due profili della prima immagine che avete visto, basandoci anche su questa immagine, notiamo che sebbene la forza agente sulla molecola del profilo più corto deve per forza essere maggiore per richiudere il profilo in uno spazio più breve, ovviamente lo stesso spazio diminuisce, quindi:

LAVORO = F * s  rimane costante.

E siccome per motivi che non sto a dire per non complicare il testo, il LAVORO è assimilabile come una ENERGIA FORNITA, allora l’energia fornita alle molecole di entrambi i profili E’ LA STESSA.

Cosa cambia? Sebbene l’energia sia la stessa il problema è che nel secondo profilo tale energia deve essere fornita in un tempo minore! In sostanza: l’indice che unisce l’energia fornita con il tempo è proprio la POTENZA, e scopriamo allora che la potenza data dal corpo che attraversa il flusso, al flusso stesso, è maggiore nel caso di un profilo più “ripido”, più corto, dove l’aria compie spostamenti anche uguali, ma in più breve tempo.
Ciò causa ovviamente una maggiore resistenza aerodinamica.
Spero che non sia stato incomprensibile fino a qua.

Ora: a volte la potenza da fornire all’aria è cosi elevata, che l’unico modo che la stessa aria ha per poter richiudere il flusso attorno al corpo, è proprio seguirlo…non avete capito? Allora guardate l’immagine e vi sarà subito famigliare.

Si creano i fenomeni noti come vortici! Dannosissimi.

Perché dannosissimi?

Be se pensiamo per esempio ad  una situazione dove, dietro al nostro corpo c’è per esempio un alettone, o un diffusore, su questo agirà dell’aria che ha acquistato un po’ di velocità nella stessa direzione in cui sta andando l’alettone o il diffusore stesso, cosi che questi elementi, si vedono accerchiati da un flusso che presenta una velocità relativamente minore di quella che potrebbe essere…e dato che la portanza/deportanza dipende proprio dalla velocità del flusso attorno al profilo, e più aumenta la velocità e meglio è, vedremo una perdita di prestazioni. ”

Notiamo quindi che la forma del corpo, la sua capacità di deformare il flusso poco alla volta, e di deformarlo il meno possibile giocano un ruolo fondamentale per la gestione del’aria attorno alla vettura. Passiamo agli altri tipi di fenomeni descritti.

LO STRATO LIMITE

Una seconda possibilità di perdita per quanto riguarda l’efficienza aerodinamica è la seguente: lo strato limite è quel fenomeno che avviene quando un corpo è in movimento all’interno di un flusso, per colpa della sua superficie che microscopicamente non è liscia ma assume un certo grado di rugosità, attraverso la quale le molecole d’aria rimangono imprigionate.

Queste molecole d’aria rimangono imprigionate e per effetti di attriti viscosi, impongono un certo rallentamento anche alle molecole che passano sopra di esse(anche se queste ultime non vengono catturate dalle rugosità della superficie stessa).

Questo avviene per ogni infinitesima parte della superficie che compone il pezzo, e quindi più la superficie dell’oggetto è estesa, più avremo un aumento di resistenza da strato limite.

Si noti poi un fatto: la parte di molecole che vengono rallentate dal primo strato di flusso, ovvero quello che si infiltra nelle rugosità della superficie, a loro volta vengono scavalcate da un ulteriore parte di flusso che, anch’esso, finisce per avere degli attriti viscosi con queste e viene rallentato. È quindi un fenomeno che accresce mano a mano che il flusso percorre in lunghezza l’oggetto in questione. Più l’oggetto è allungato e più avremo un accrescimento di questo fatto.

Se provassimo a citare un esempio molto semplice, come può essere una lamina che scorre dentro un fluido come l’aria noteremmo la seguente situazione.

Un esempio di superficie soggetta a questo tipo di interferenza può semplicemente essere il tettuccio di ogni vettura presente sulle strade d’Italia e del mondo.

Le conclusioni dopo questa breve introduzione al secondo problema sono:

-il pezzo deve avere la minore superficie esposta al flusso per evitare proprio questo fatto.

-l’allungamento deve essere ridotto per evitare che il fenomeno cresca in spessore e quindi crescano gli attriti.

 ZONE D’ARRESTO

Ultimo problema che si deve considerare per progettare un buon muso di formula 1, e in generale un qualsiasi profilo aerodinamico, è quello di eliminare sin dal progetto le zone dove il flusso potrebbe subire un arresto, ovvero perdere la velocità relativa rispetto al componente.

Il motivo è semplice e oltre ad essere spiegato in breve in questa sezione può essere approfondito anche alla sezione di aerospace world seguente:

 http://aimaralberto.wix.com/aerospace-world#!press-tot/c71p

In sostanza, abbiamo ripetuto più e più volte che un flusso che viene accelerato vede perdere parte della sua pressione statica per aumentare invece pressione dinamica, legata all’energia cinetica che le molecole acquisiscono.

La legge che descrive questo fatto è proprio:

Dove la velocità si annulla, ovvero M diventa = 0, la P è l’unica che contribuisce alla P0 e quindi assume valore massimo.

Alcuni esempi di zone soggetto a pressione di arressto P0 sono:

Quindi, se dovessimo definire cosa è una zona di arresto, diremmo in definitiva che è un luogo dove si presenta un ostacolo per il flusso, e questo ostacolo è posto perpendicolarmente al flusso stesso.

Queste zone sono da evitare il più possibile.

Ora che abbiamo visualizzato tutte le caratteristiche che durante il progetto di una vettura, o un velivolo, o altro, vanno a comporre quello che è il Cx (coefficiente di resistenza aerodinamica) proviamo a capire meglio come queste si applicano al musetto di una formula 1, facendo particolare riferimento a quello della Caterham visto  a SPA nell’ultimo week end di gara.

(CONTINUA NELLA SECONDA PARTE LEGGI )

Articolo dell’Ing.  Aimar Alberto

Sito : AIMARALBERTO.WIX.COM/AEROSPACE-WORLD