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Perchè si formano le buche?

Il canale di Panama

aprile 27, 2018 Comments (0) Fisica, Ingegneria, Ingegneria Meccanica, Scienza

Pochi sorpassi in Formula 1… Ma perché?

Tra amanti dello sport, spettatori delle 14 (ormai 15.10) del pomeriggio o semplici curiosi, una “accusa” che viene costantemente rivolta al mondo delle corse di Formula Uno è quella di assenza di bagarre, sorpassi e scontri. Spesso il motivo si cerca nel gap tecnologico tra i top team, nella “mancanza di fegato” dei piloti o nell’introduzione delle nuove unità ibride che costringono ad una diversa gestione della gara (basti ricordare il GP di Baku del 2017, o anche la vittoria al cardiopalmo di S. Vettel al GP del Bahrain 2018 solo in tempi recenti).

La ragione può però essere individuata proprio nell’ingegneria che sta dietro queste vetture. Non è né il motore, né la tanto decantata turbolenza a impedire gare con auto incollate una dietro all’altra nella preparazione di un sorpasso in scia, bensì la sempre più spinta aerodinamica. Un appassionato ed osservatore attento avrà notato come nel biennio 2007-2008 si è registrata la maggior “carestia” di sorpassi, proprio il periodo in cui le vetture presentavano decine di appendici ed alette volte a modificare il comportamento dell’auto e la sua interazione con l’aria.

Una BMW Sauber del 2008 con ben in vista le appendici aerodinamiche.

Aerodinamica: lo sviluppo tecnologico

Dato l’elevato contenuto ingegneristico presente in Formula Uno, spesso si sentono nei vari pre- e post-gara, delle discussioni riguardo le modifiche che ogni anno vengono introdotte dalle varie case partecipanti al campionato del mondo, alla ricerca di una sempre maggiore competitività.

Fin dal 1960 si è compresa l’importanza di mantenere l’auto “incollata” al suolo per poter scaricare al meglio a terra tutti i cavalli disponibili dal motore. Da semplici ali rovesciate collegate direttamente ai supporti delle gomme (vedi foto), alle wing car degli anni ’70-’80 (che in realtà non avevano alcun bisogno di alettoni, vedi qui), alle soluzioni più sobrie degli anni ’90 e inizio Duemila; gli ingegneri si sono sforzati sempre più di capire come ottenere la miglior interazione tra aria e veicolo per poterne trarre vantaggio.

Modificare la direzione dell’aria in maniera ottimale permette di creare zone di depressione nei punti cruciali dell’auto come ad esempio il retrotreno, dove è necessario mantenere le ruote aderenti al tracciato per la massima presa, o sulle ali anteriore, per avere una maggiore “guidabilità”, e posteriore, per aumentare la tenuta in circuiti con molte curve, o ancora per deviare i flussi d’aria dagli pneumatici per aumentare il grip.

Un ruolo per nulla secondario, che è stato cruciale nel 2014 (il primo anno delle unità ibride termico-elettrico) è quello del raffreddamento: i flussi d’aria vengono convogliati sopra la testa del pilota, dove c’è un’apertura collegata col vano motore che ha anche la funzione di introdurre l’aria nello stesso per la combustione, e su piccole entrate sulle “pance” della vettura, dove sono presenti i radiatori.

“Come sarebbe a dire che la turbolenza non c’entra?”

Visualizzazione tramite software CFD dei flussi d’aria che investono una monoposto in movimento.

“Eh ormai i sorpassi in scia non si possono più fare perché la turbolenza danneggia troppo l’auto che sta dietro” è una frase che forse avrete sentito svariate volte in discussioni tra appassionati o nei talk show televisivi. Tuttavia questa affermazione è altamente imprecisa, visto che viene utilizzato impropriamente il termine turbolenza.

La turbolenza è un fenomeno che viene associato ad una condizione di moto caotico, non stazionario ed irregolare di un fluido e che si instaura sotto certe condizioni che coinvolgono la densità, velocità e viscosità dinamica dello stesso con riferimento ad una dimensione caratteristica su cui viene modellato il fenomeno [2]. Esperienze quotidiane che fanno apprezzare la presenza della turbolenza sono il mescolamento di caffè e latte nel cappuccino, il vapore in uscita da una pentola a pressione ecc.

In termini fisici, prendendo in considerazione le variabili introdotte prima, si dice che un regime di moto è turbolento quando il numero di Reynolds \(Re\) di un fenomeno, che si esprime come

\(Re = \frac{\rho v D}{\mu}\)

supera il valore di 4000.

Si può fare una stima assolutamente grossolana ma che può dare un’idea dell’ordine di grandezza del numero di Reynolds nei confronti di una vettura di Formula Uno: considerando l’aria in condizioni standard \(D = 1 m\) (scelta arbitraria) \(v=200 \frac{km}{h}=55.5 \frac{m}{s}\), \(\rho=1 \frac{kg}{m^{3}}\) e la viscosità dinamica \(\mu = 18.6 x 10^{-6} \frac{kg}{ms}\) si ottiene un \(Re = 2983870\) che è ben al di sopra del limite per avere moto turbolento [1].

Si capisce quindi che le vetture di Formula Uno si trovano sempre sotto l’influenza della turbolenza e che quindi il calo di prestazioni, quando si tenta il sorpasso in scia, è da additare a qualcos’altro.

“Vabbè ma è la macchina che viaggia a 200 all’ora, non l’aria” non è un’obiezione valida: studiare il problema dal punto di vista della massa d’aria (cioè aria ferma e auto in movimento) o dal punto di vista della vettura (cioè auto “ferma” e aria che la investe con una velocità pari a quella reale della macchina) non fa nessuna differenza in fluidodinamica per quanto riguarda la soluzione delle equazioni [2].

Aerodinamica e scia

La vera motivazione per cui non è più possibile costruire i sorpassi in scia, giro dopo giro, come si faceva (tra l’altro non molto più frequentemente) negli anni ’90-’00, è il disturbo che l’auto precedente provoca ai flussi d’aria che investono l’auto successiva.

Come abbiamo visto nel paragrafo iniziale, l’aria deve impattare con l’auto in maniera ottimale per raffreddamento, carico aerodinamico, tenuta di strada. Nell’animazione poco più avanti si vede come accodarsi ad una vettura significa ricevere aria che è stata spostata vorticosamente, con un’amplificazione dei fenomeni turbolenti già presenti, dal passaggio della vettura che precede.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Quindi il vero motivo per l’impossibilità di “corse serrate” è proprio questa influenza negativa che il passaggio di una Formula Uno provoca sull’aria, che non arriva più guidata dai deflettori, ali ecc.
Un secondo problema è che l’aria che viene investita da una vettura viene trascinata, guadagnando un po’ di velocità, nella direzione di marcia: l’auto che segue quindi si “scontrerà” con una massa d’aria più lenta (infatti \( \vec{v}_{rel-aria} = \vec{v}_{aria} – \vec{v}_{auto}\)) e questo dà enormi effetti negativi sullo scambio termico che avviene nei radiatori.

L’ulteriore problematica, apparentemente contraddittoria, che nasce è che l’ala posteriore non agisce più perfettamente, producendo meno carico aerodinamico. Questo è infatti il motivo per cui esistono i sorpassi in scia: avendo meno carico si raggiungono velocità di punta più elevate e questo consente di superare in rettilineo l’auto che sta davanti – è anche il principio di funzionamento del DRS, spiegato in questo video:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Il problema riguarda però il consumo delle gomme: meno carico aerodinamico porta ad un maggior surriscaldamento delle gomme (poiché l’aderenza non è ottimale) e quindi ad un consumo più veloce.

Riferimenti

  1. Paper sul metodo di calcolo per flussi turbolenti.
  2. R. Verzicco, Lezioni per il corso di Fluidodinamica 2011.

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