RIPASSO DI AERODINAMICA: Quanta deportanza serve. Pt1.

Nelle prossime settimane attendono due eventi davvero particolari per il campionato di formula 1 e le auto si troveranno in situazioni diametralmente opposte tra loro.

A breve, infatti, i team raggiungeranno il circuito del Montmelò, Barcellona, e a seguire, il 26 maggio, si sfideranno nelle strette via del principato di Monaco; dalla pista autentica, veloce, con cambi di direzione rapidissimi, al circuito cittadino stretto, tortuoso, lento e con mille insidie dietro l’angolo.

L’aerodinamica delle macchine dovrà adattarsi molto sia in un caso che nell’altro e le configurazioni adottate per il circuito spagnolo, quasi certamente, non saranno le stesse visibili sul tracciato monegasco.

A tal proposito, avendone parlato fin dall’inizio dell’anno e discutendone in occasione di ogni analisi dei circuiti fino ad ora trattata, cogliamo occasione per ripassare assieme i fondamenti della deportanza per capire come si applica alle scelte di configurazione che i tecnici svolgono di gara in gara.

Questo è necessario perché, come si è visto durante le analisi dei circuiti che periodicamente eseguiamo prima di ogni gran premio, cambiano molti parametri riguardanti alcuni principali aspetti:

  • Raggio di curvatura dei cambi di direzione;
  • Estensione dei cambi di direzione;
  • Lunghezza dei tratti rettilinei (media e lunghezza massima del rettifilo principale);
  • Intensità di accelerazione in uscita dalle curve;

Questi parametri interagiscono con due principali risultati che ricaviamo ogni volta: la velocità media di percorrenza in curva e la velocità massima ottenibile a fondo rettilineo.

Capiamo allora come questi valori devono essere gestiti per ottenere il bilanciamento aerodinamico ottimale. Dedicheremo due appuntamenti che aiuteranno a fare il punto della situazione: durante un primo articolo teorico e concludendo con ragionamenti pratici derivanti dai concetti fisici di seguito espressi, cerchiamo di capire come i tecnici adattano le proprie vetture in vista di ogni gran premio. Cominciamo prendendo come riferimento gli alettoni posteriori e fornendo innanzitutto una definizione di pressione dinamica, cioè la spinta che agisce su una superficie quando una porzione di fluido (quale l’aria) in movimento vi urta contro arrestandosi.

La pressione dinamica (evidenziata in azzurro nella formula che segue) entra in gioco per quanto riguarda le superfici deportanti più riconoscibili e adattabili a bordo delle auto da corsa: gli alettoni posteriori. Del resto, non potrebbe essere altrimenti: trattandosi di un componente completamente immerso all’interno di una corrente fluida, esso ne assorbe qualsiasi caratteristica, negativa o positiva che sia, compreso il valore di pressione dinamica dell’aria che lo investe. Il funzionamento dei dispositivi aerodinamici citati è rimasto intatto nel tempo. La regola base è unica ed è sufficiente a descrivere il comportamento di un alettone, potendo calcolare la spinta verticale con una semplice formula.La L indica “lift” in inglese, ovvero portanza. Questa rappresenta la forza che può essere generata da un’ala al variare delle seguenti variabili:

  • S = superficie.
  • V = velocità.
  • = densità dell’aria (capitolo 2°).
  • Coefficiente di portanza.

È semplice immaginare come intervenga il parametro S, che si riferisce all’estensione dell’alettone: maggiore è la superficie, maggiore sarà il flusso interessato nella generazione di portanza. In sostanza, il carico aerodinamico sarà tanto più alto quanto più grande sarà l’elemento montato a bordo.

Lo stesso discorso vale per la velocità V: tanto più alta è l’energia cinetica delle molecole d’aria che interagiscono con l’ala, tanto maggiore sarà la spinta risultante. Si noti peraltro, fattore di estrema importanza, che il contributo della velocità di avanzamento assume un comportamento esponenziale rispetto all’aumento di rapidità di spostamento.

Tradotto, significa che la velocità di avanzamento della monoposto è un termine speciale all’interno della formula perché, grazie all’elevamento al quadrato, è come se fosse contato due volte; pesa il doppio degli altri.

Ciò significherebbe che, per esempio, raddoppiando la velocità potremmo avere un aumento PIÙ CHE DOPPIO della deportanza. Aspetto fondamentale e da non dimenticare.

Esiste un ulteriore parametro sul quale le squadre possono contare per raggiungere gli obiettivi preposti. Di più difficile comprensione, il coefficiente di portanza “Cl” fa riferimento a due caratteristiche fondamentali dell’alettone, entrambe governabili dagli ingegneri durante la progettazione dei componenti:

  • Incidenza;
  • Inarcamento;

L’incidenza alare è l’angolo sotteso tra la direzione del flusso e la linea della corda di un profilo. La corda alare è la distanza che c’è tra il bordo d’attacco e il bordo d’uscita di un profilo dell’ala. Nel caso di una vettura di formula 1:

L’angolo di incidenza viene anche definito con la lettera greca .

Gli studi e le prove effettuate negli anni hanno portato ad una conoscenza sempre più amplia riguardo al funzionamento di un profilo portante immerso in un fluido in movimento. Il comportamento di Cl al variare dell’angolo di incidenza è stato tradotto in grafici che riassumono per ogni profilo studiato l’andamento del parametro in funzione dell’angolo di incidenza.

Al variare dell’incidenza del profilo alare, il coefficiente di portanza cresce e questo perché la corrente fluida incontra un profilo più aggressivo e complicato da scavalcare e avvolgere. Le forze in gioco crescono di conseguenza; le flessioni del flusso che avvolge l’elemento aumentano di intensità e, in conclusione, lo scambio di forze tra aria e profilo si amplifica.

Per completare la discussione, anche l’inarcamento alare deve essere preso in considerazione. Per la verità, nel caso delle vetture di formula 1, è proprio quest’ultimo il parametro che viene modificato piu’ di frequente di gara in gara. Su piste molto veloci le ali si presentano poco ricurve su sé stesse, mentre mostrano grandi ripieghi quando è necessario un buon carico aerodinamico.

Per questo motivo i tecnici devono progettare i profili alari cercando di fornire l’inarcamento corretto all’elemento: questo per garantire la buona spinta al suolo, compensando le basse velocità e le variazioni di densità atmosferica.

Anche per il caso di profili alari con maggiore o minore inarcamento è possibile effettuare confronti e creare grafici. Di seguito un esempio:

L’inarcamento contribuisce a pieno titolo all’innalzamento del coefficiente di portanza. Se nel grafico precedente scegliessimo un angolo di incidenza 5°, ad esempio, il valore di ritorno più elevato di Cl sarebbe fornito dalla curva grigia, che corrisponde al profilo maggiormente inarcato.

A rigor di logica, seguendo la trattazione fino ad ora svolta, sembrerebbe utile puntare sempre al maggiore inarcamento, alla maggiore incidenza e alla maggiore superficie per ottenere risultati sempre migliori.

C’è un però ed è su tale riflessione che si conclude la prima parte di ripasso teorico in vista dei GP di Monte-Carlo e di Spagna.

Si analizzi infatti la formula della resistenza aerodinamica di una superficie portante come può essere un alettone posteriore:

Sapendo che:

  • V compare anche qua e anche qua vale il doppio degli altri fattori;
  • La S compare come contributo all’aumento di resistenza;
  • Cd si presenta come l’altra faccia della medaglia del Cl (coefficiente di portanza)

Salta subito qualcosa all’occhio:

La stessa formula che crea il carico aerodinamico, distrugge le performance motoristiche e di velocità massima delle vetture. In altre parole: gli stessi elementi che permettono prestazioni di deportanza incredibili, lavorano esattamente allo stesso modo per distruggere le caratteristiche “meccaniche” delle auto. Con il raddoppio della velocità, la resistenza cresce ben più del doppio.

La domanda è quindi ovvia: prendendo atto di questa situazione, come possiamo risolvere il dilemma del corretto bilanciamento aerodinamico a bordo vettura? Seguirà a breve un articolo più pratico per capire gli sviluppi pratici di tale discorso, applicati a due piste così diverse come Spagna e Montecarlo.

A presto

Dall’ing. Alberto Aimar.