Ingegneria Meccanica

La potenza dei motori di Formula 1

Ottobre 26, 20187063 views0

Perché i motori di Formula 1 hanno tanta potenza, rispetto alla maggior parte degli altri esistenti?

Ad un primo sguardo, sembrerebbe non esserci tanta differenza tra un motore di una supercar ed uno di una auto da corsa, come si può vedere dall’immagine sotto che mette a confronto visivo il motore Ferrari 049 del 2000 utilizzato in F1 e quello montato sulla Audi R8.

Anche se entrambi sono V10 e non sembrano particolarmente differenti, il motore di Formula 1 è in grado di sviluppare 780 CV con una cilindrata di 3000 cc, mentre il motore stradale ne sviluppa 550 con una cilindrata di 5200 cc. Questo ci permette già di trarre una conclusione: la grandezza del motore non implica una maggiore potenza.

Basti pensare che la sola parte termica delle moderne Formula 1 (che hanno un sistema di propulsione ibrido, combustione interna + motore elettrico) è in grado di sviluppare 840 CV con una cilindrata di 1600 cc (dati della Ferrari SF71H), che è la tipica cilindrata dei motori stradali (VW Golf, Opel ecc).

Ma allora la potenza in più da cosa deriva?

Come si esprime la potenza

La potenza di un motore è data dalla seguente:

oltre a termini che non andremo ad analizzare, si vede che la potenza dipende dal tipo di carburante “Hi”, che indica il potere calorifico inferiore della miscela), dal numero di giri “n” e dalla cilindrata “Vo”, qui intesa come la somma dei volumi dei singoli cilindri). E’ facile intuire che un grande contributo è dato sia dal numero di giri, più alto in F1 rispetto a quello utilizzato nelle auto stradali (ad oggi 12000 rpm, contro i consigliati 1000-1500 rpm delle utilitarie e i 5000 rpm delle supercar usate in pista), sia dal tipo di carburante (nelle Formula 1 non si usa infatti benzina convenzionale).

Un altro fattore di cui non si tiene molto conto è il modo in cui i motori sono costruiti: la precisione di lavorazione è in questo caso l’accorgimento che porta i motori a diventare più prestazionali.

Le tolleranze

Senza addentrarci nel particolare, si definisce tolleranza l’errore consentito nella lavorazione e/o costruzione di un pezzo. Infatti, nell’industria meccanica, quando si specifica una grandezza questa viene intesa come “teorica” (più propriamente nominale), cioè la dimensione che il pezzo perfetto avrebbe se i macchinari lavorassero perfettamente e i materiali non avessero imperfezioni. Siccome nel mondo reale una situazione del genere non è raggiungibile, si introduce un “margine” che consente di considerare accettabile una lavorazione. Per maggiori informazioni sull’uso delle tolleranze si veda qui.

Schema per il calcolo delle tolleranze utilizzato ampiamente nell’industria meccanica.

I motori stradali, che vengono costruiti in grande serie con procedure automatizzate (il più delle volte), devono rispondere ad esigenze di forte intercambiabilità dei pezzi. I motori da corsa, al contrario, vengono costruiti spesso “a mano” e in serie ultra limitate (5-10 pezzi all’anno). Siccome ad un aumento della precisione di lavorazione si unisce un aumento anche vertiginoso dei costi, solo in Formula 1 si possono sfruttare i vantaggi di una maggiore precisione.

Ma allora cosa cambia?

Se la maggiore precisione di lavorazione la si applica all’interno del singolo cilindro del motore si capisce immediatamente il vantaggio che se ne può trarre.

Esempio di “gioco” tra camera e pistone.

Nei motori stradali lo spazio tra pistone e parete del cilindro è abbastanza grande (dell’ordine comunque del decimo di millimetro) da evitare che il moto alternativo del meccanismo possa provocare danni. Tuttavia, anche uno spazio così ridotto fa in modo che durante lo scoppio una parte della pressione prodotta “si perda”: la presenza di “gioco” riduce l’area su cui scaricare la pressione (la testa del cilindro).

Nei motori di Formula 1 lo spazio tra cilindro e pistone è così ridotto che quando il motore è freddo i pistoni sono letteralmente bloccati all’interno della camera e solo in esercizio il sistema raggiunge le dimensioni nominali (nel senso “di funzionamento” e non “ideali”). Anche una così piccola differenza consente di sviluppare una forza sulla testa del pistone molto maggiore della precedente.