COME MAI UN’ANALISI TECNICA DEL DIFFUSORE

è necessaria l’analisi tecnica del diffusore in quanto, da ciò che si è visto fino ad ora, dopo il taglio da regolamento, le squadre stanno lavorando molto sul componente. Il tentativo ha come scopo il recupero della deportanza e, si, proprio sul diffusore si gioca gran parte della partita. Abbiamo visto McLaren, poi RedBull, e chissà cosa altro in futuro…quindi serve capire innanzitutto perchè è cosi importante.

TECNICA DEL DIFFUSORE

È quindi il suo turno e serve descriverlo al meglio, per orientarsi nell’anno 2021. Capiamolo partendo larghi e vedendo quanto sia utile in generale in tutto il Motor sport. Non solo questione di formula 1.

Il diffusore: un importante componente montato a bordo della maggior parte delle vetture da corsa che permette un incremento sensibile della deportanza. Il suo funzionamento non è cosa scontata ed è necessario dedicare qualche pagina per capire meglio come esso agisca sul flusso. Non è innanzitutto prerogativa unica delle vetture di formula 1, gp2 o formule E, ma prende posto su molte automobili, di qualsiasi gamma e prezzo. Anche sulle macchine sportive per utilizzo stradale l’elemento in questione assume dimensioni notevoli, indice della sua importanza a livello aerodinamico.

Per lo studio della tecnica diffusore, come per la maggior parte degli argomenti trattati sino ad ora, partiamo dal principio base del tubo di Venturi. L’aria, in questo caso, arriva nella zona del diffusore dopo aver attraversato l’intera lunghezza del fondo piatto, lato inferiore. La corrente ne imbocca l’ingresso per poi proseguire lungo la riduzione di passaggio imposta dal canale. Questo obbliga le particelle ad un aumento della rapidità di scorrimento per poter passare tutte insieme dalla stessa strettoia.

Durante l’incremento di velocità al quale sono costrette le molecole, la pressione statica si riduce grazie al meccanismo già analizzato della pressione totale.

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Finora, quindi, tutto regolare e in linea con quanto discusso nei capitoli passati. L’ingresso del canale, il suo restringimento e la reazione del flusso: argomenti ampiamente discussi e analizzati in precedenza. Ad un certo punto però, la corrente fluida raggiunge l’allargamento finale: il diffusore. Di per sé, si tratta di un’area analizzabile tramite una semplificazione, ovvero comparandola alla parte terminale del classico tubo di Venturi. La zona di interesse è la seguente:

DESCRIZIONE SEMPLIFICATIVA DEL DIFFUSORE

Conseguentemente, guardando allo schema precedente, se il diffusore dovesse essere identificato all’interno della figura sarebbe rappresentato dalla sezione di uscita. Quando l’aria in ingresso attraversa la gola, aumenta la rapidità di scorrimento, proseguendo il suo percorso verso l’uscita del condotto. Questo avviene perché l’alta pressione che è presente sull’imbocco del canale, sul lato sinistro dell’illustrazione in alto, spinge tutte le molecole dall’interno verso l’uscita posteriore. Si richiami a tal proposito l’immagine usata sin dagli scorsi anni su newsf1.it per spiegare la situazione attraverso l’effetto Venturi.

Il diffusore rappresenta quindi l’allargamento finale del canale dove, grazie ad un nuovo ampliamento della sezione di passaggio, il flusso accresce nuovamente la pressione al suo interno.

Certo, se vista sotto questo punto di vista, qualcosa non torna: ipoteticamente, se il tratto di tubo che si sviluppa dalla gola al punto di uscita del condotto non cambiasse la larghezza della sezione interna, l’aria non avrebbe alcun motivo di espandere nuovamente le traiettorie, di rallentare e quindi di accrescere la sua pressione; Vedere l’illustrazione seguente per comprendere il concetto.

Per il caso mostrato nell’immagine appena esposta, dal momento in cui le particelle fluide attraversassero la riduzione di sezione, null’altro accadrebbe se non una certa costanza nelle dimensioni del passaggio. E qua comincia la vera tecnica del diffusore

UNA SITUAZIONE IDEALE

Dalla gola fino all’uscita, la pressione, ridottasi durante l’accelerazione del flusso, manterrebbe un valore basso e pressoché costante; converrebbe pertanto che la larghezza del canale di scorrimento rimanesse invariata e ristretta, in maniera tale da poter mantenere e controllare la depressione nel fluido. Applicando questo concetto ad un elemento interessante come il fondo piatto per esempio, sarebbe possibile mantenere costante la riduzione di pressione sotto tutto il veicolo fino all’uscita dal lato posteriore della vettura.

A conti fatti, perché introdurre una espansione finale del fondo piatto attraverso il diffusore, se questo aumenterebbe nuovamente la pressione sotto la porzione posteriore della vettura (riducendone la deportanza)?

Si ripeta il concetto: il diffusore rappresenta un allargamento e come tale esercita una azione di rallentamento del flusso, il quale si compatta incrementando le pressione interna. La simulazione computerizzata di seguito rende l’idea di come raggiunta la gola, la corrente proceda verso l’uscita riacquistando la stessa lentezza che aveva in ingresso.

ALLORE PERCHE’ IL DIFFUSORE?

Le ragioni per le quali si inserisce il diffusore esistono e sono almento due:

  • L’attrito dell’aria contro le pareti del fondo piatto.
  • L’aumento di resistenza aerodinamica dovuto ad un flusso non ottimale in area “retro-treno”.
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Durante il suo scorrimento sulle superfici della vettura, come già visto nei capitoli precedenti, l’aria ne subisce l’attrito (resistenza da strato limite). Ogni elemento meccanico costruito dall’uomo o presente in natura possiede infatti una certa rugosità che si traduce in microscopici ostacoli sui quali le molecole d’aria in movimento urtano, rovinando le traiettorie della corrente. L’aria che scorre al di sotto delle monoposto lambisce la superfice del fondo piatto, subendone la rugosità. La principale conseguenza è una graduale diminuzione di stabilità del flusso sotto l’auto, perdendo la maggior parte dell’effetto deportante. Dallo schema che segue è possibile notare una serie di frecce che rappresentano la velocità delle particelle fluide. Si noti come le frecce si riducono in lunghezza lungo tutto il fondo piatto e avvicinandosi al lato posteriore della vettura: ciò indica
la perdita di velocità del flusso all’interno del sottile passaggio sotto l’auto.

Lo spessore dell’area interessata dall’attrito viscoso cresce sempre di più, fino ad eguagliare le dimensioni interne del condotto che la contiene.

Per eliminare o perlomeno contenere il problema dell’attrito sulle pareti, serve un elemento che possa attirare il flusso con più forza verso l’uscita, in modo da mantenere un livello di velocità dell’aria adeguato sotto l’auto. Entra in gioco la prima caratteristica tecnica del diffusore.

Inserendo quello che fino ad ora è stato assimilato come l’allargamento terminale del condotto, si verificherebbero due conseguenze principali. In primo luogo, la corrente prossima all’uscita del condotto dovrebbe espandere per riempire lo spazio aggiuntivo. Se non lo facesse, nascerebbero zone vuote o di alta depressione che, per l’appunto, attrarrebbero le particelle di gas presente sotto la macchina, scomparendo nuovamente.

INSERIMENTO DEL DIFFUSORE: CONSEGUENZE

Conseguentemente, tanto maggiore sarà lo spazio da riempire sotto il diffusore (evitando di esagerare per non generare instabilità dannose), tanto più elevato sarà l’apporto di flusso richiesto in arrivo dal fondo piatto. In altre parole, la corrente in arrivo dalla gola (per l’appunto, dal fondo piatto) risentirebbe di una più intensa attrazione verso il retro-treno della vettura a causa di uno spazio difficile da riempire, visto che rivolto verso il lato posteriore del’auto, dove il recupero di pressione è assai complesso. La rinnovata richiesta di molecole permetterebbe alla corrente sotto il fondo vettura di essere richiamata con più forza verso il lato posteriore dell’auto, combattendo con maggior efficacia l’ostacolo costituito dall’attrito sulle superfici rugose del fondo.

Come illustrato nell’immagine, la velocità dell’aria diminuisce in maniera meno evidente lungo tutta la strettoia. Il motivo per il quale il diffusore richiede cosi energicamente le molecole di aria dal fondo piatto è dato dall’elevata depressione sviluppata sul lato posteriore. Quando la corrente fluida cerca di richiudersi alle spalle di una macchina da corsa che l’ha appena attraversata, ne subisce gli attriti naturali che caratterizzano la fisica del problema.

Non solo: laddove le deviazioni imposte sono troppo violente, il gruppo di molecole perde la stabilità e assume moti vorticosi instabili. Penalizzata e rovinata dai molti ostacoli citati, la corrente non ha più l’energia iniziale e non riesce quindi a recuperare le sue caratteristiche dietro alla vettura. Ciò si traduce in una perdita di pressione totale sul lato posteriore dell’auto. Tale fenomeno si scarica anche sulla sezione di uscita del diffusore. (Peraltro, ciò che è appena stato detto non fa che descrivere il concetto di “scia”)

In tal senso, l’aria che si trova sotto il veicolo non sente la pressione che sentirebbe davanti al veicolo, ma la depressione che si genera nel grande spazio da riempire, costituito dalle pareti inferiori del diffusore. Detto in altre parole, la depressione la attira al di fuori dell’area inscritta dall’elemento in analisi.

Sfruttando il concetto della trasmissione del segnale attraverso le onde di pressione riesumato dalla spiegazione della sovrapposizione degli effetti, si comprende che la depressione propaga ripercorrendo al contrario il diffusore, raggiungendo anche l’aria che percorre il fondo piatto. Questa sente l’attrazione verso il retro-treno già quando scorre sotto alla monoposto.

TECNICA DEL DIFFUSORE: CONCLUSIONI

Concludendo, l’unico apporto semplice di aria per il diffusore è il canale del fondo piatto. L’elemento in analisi non ha altre fonti di prelievo agevolate di corrente fluida per poter riempire l’area a bassa pressione che genera. Le molecole fluide in arrivo dal lato inferiore della monoposto, quindi, sentono una grandissima attrazione che permette loro di mantenere elevata la velocità di percorrenza fluendo tra l’asfalto e la macchina.

Ne deriva che se lo scorrimento è molto rapido, grazie al concetto di tubo di Venturi, la pressione sotto il veicolo si riduce enormemente, con grandi vantaggi per la depressione.

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Quindi, il risultato finale è un incremento della velocità, o meglio, un migliore mantenimento delle condizioni di pressione e scorrimento del flusso al di sotto dell’auto. La prima conseguenza di una diminuzione di pressione più intensa e costante, se questo caso fosse applicato al condotto formato tra fondo piatto e asfalto, sarebbe una attrazione più consistente tra i due elementi.

È pur vero che bisogna sacrificare una porzione dei risultati. Con l’ampliamento della sezione finale infatti, la pressione non può che aumentare sotto una parte del veicolo (secondo quanto dettato dalle regola del tubo di Venturi). Ciò però non costituisce un problema perché serve per accelerare le molecole su tutto il resto del fondo piatto. In secondo luogo, creare una pressione più elevata dietro alla vettura contribuisce anche alla riduzione della resistenza aerodinamica. Se le auto faticano ad avanzare dentro l’atmosfera, vista l’enorme mole di molecole che urtano frontalmente sulle superfici, riuscire ad incrementare la pressione sul lato posteriore significa avere una maggiore spinta che preme dal retrotreno, verso l’anteriore. Non si tratta di un contributo che possa contrastare tutte le zone ad alta resistenza a bordo macchina, ma sicuramente rende il sistema diffusore un metodo particolarmente efficiente per generare la deportanza.

ALTRI ESEMPI NEL MOTOR SPORT…IL DIFFUSORE E’ GLOBALE

Per citare alcuni esempi pratici, il diffusore di una formula 1 funziona grazie al principio appena descritto e risulta fondamentale per ottenere una buona performance. Senza di esso, si perderebbe una grande dose di carico aerodinamico, quantità non recuperabile con il solo utilizzo degli alettoni. Non solo, l’utilizzo di questo strumento si estende ben oltre i confini della formula. Trova applicazioni su veicoli da corsa di qualsiasi genere proprio per la sua versatilità e la sua capacità di apportare miglioramenti in qualsiasi condizione.

Quindi, nonostante gli schemi precedenti mostrino il profilo laterale di una vettura da Formula 1, alcuni degli esempi più belli ci vengono regalati da molte vetture di differente tipologia.

Un primo esempio è la Suzuki Escudo iscritta alla leggendaria corsa sul Pikes Peak.

Un ulteriore esempio di quanto il diffusore rappresenti una soluzione universale per il mondo del motor sport deriva dalle più “normali” automobili sportive per utilizzo stradale. Per divertirsi è fondamentale dotarsi di prestazioni adeguate e anche in questo caso l’aerodinamica è un fattore principale per costruire le performance desiderate.  Non vi è macchina sportiva ad alte prestazioni che non sia dotata di questo fondamentale equipaggiamento aerodinamico. Anche una semplice Lotus Exige ne è dotata.

In conclusione, collegandosi ad uno dei primi capitoli del libro, si è presentato un altro caso di sovrapposizione degli effetti. Anche il diffusore, ovvero una rampa rovesciata capace di estendere ed allargare le traiettorie del fluido sotto la macchina, permette la migliore gestione di un flusso interagendo con il fondo piatto della vettura. Sarebbe possibile avere deportanza senza il diffusore, ma la sua interazione migliora sensibilmente le caratteristiche deportanti dell’auto.

 

A presto dall’ing. Alberto Aimar

 

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