Aerodinamica

Cos'è l'aerodinamica

Già il nome ci suggerisce che l'aerodinamica è la scienza che studia la dinamica del fluido nel quale si muovono la maggioranza dei mezzi di trasporto costruiti dall'uomo. Perché lo studio di questa scienza è così importante nella progettazione delle automobili ed in particolare di monoposto di F1? Perché l'aria (che si presenta come un gas trasparente difficile da indagare e studiare con semplici strumenti, tanto da rendere necessaria la costruzione di costosissimi impianti quali le gallerie del vento) acquista moltissima importanza quando un corpo si muove relativamente ad essa, condizionandone pesantemente il moto a causa della resistenza che il fluido esercita sul corpo e delle interazioni reciproche che si vengono a creare (basti pensare ad una piuma che cade a terra molto più lentamente di una sfera di piombo, nonostante la legge di gravitazione universale gli imponga (nel vuoto!) di cadere con la stessa accelerazione di 9,8 m/s²).

Storia

Per poter affrontare una curva ad alta velocità, gli ingegneri di automobili hanno dovuto realizzare nuove soluzioni aerodinamiche. Dal 1960 cominciarono i primi sviluppi che portarono all'introduzione di queste nuove ali che aumentarono le performance delle auto. Nel 1968 le prime auto di formula 1 furono dotate di queste ali. Le prime ali erano troppo deboli e leggere, tanto che durante le corse esse si staccavano determinando incidenti.
Trenta anni dopo, il disegno aerodinamico è divenuto importantissimo, e ora è visto come una parte fondamentale per la realizzazione delle auto da corsa. Se noi vediamo le Williams del 1991-1997 e le McLaren del 1998-2001 notiamo che tutte queste macchine furono disegnati da uno uomo: Adrian Newey.
(Il suo successo come un disegnatore è dovuto alle sue esperienze in campo aeronautico. Infatti gli ingegneri attuali sono ingegneri meccanici, mentre Newey studiò ingegneria aeronautica all'Università di Southampton.)

Come funziona?

Le ali di una auto da F1 usano lo stesso principio di quello su cui si fonda un aereo comune, sebbene, mentre le ali dell'aereo sono disegnate per alzare l'aeromobile, le ali di una F1 sono messe al contrario schiacciando la macchina sull'asfalto. Il motivo per cui vola una aeroplano è dettato dalle leggi di Bernoulli nel 1738 che prevede che all'aumento della velocità della corrente corrisponda una diminuzione della pressione interna. Ciò vuol dire che un aereo può alzarsi in volo e navigare nel cielo poiché il flusso d'aria genera una circolazione attorno alle superfici con profilo aerodinamico, producendo una differenza di pressione tra le zone al di sopra e al di sotto delle superfici stesse. Sopra le ali la pressione sarà minore, mentre sotto le ali la pressione sarà maggiore e quindi sosterrà l'aereo in volo. Se l'ala dell'aeroplano (immagine sottostante) dovesse essere posta al contrario si ha l'effetto opposto: il veicolo viene schiacciato a terra.    Questo principio è alla base del funzionamento degli alettoni, che garantiscono una maggiore tenuta di strada, in particolar modo nella curve ad alta velocità. Nella foto sottostante è stata rappresentata un'ala di un aeromobile e i flussi d'aria che ne conseguono.
Se volete potete provare voi stessi questo principio: prendete un pezzo di carta largo massimo 5 cm e lungo massimo 20 cm e portatelo vicino alla vostra bocca e soffiate. Il pezzo di carta si alzerà, dimostrando che a causa del vostro soffio d'aria la pressione superiore alla striscia di carta è minore di quella inferiore.

I flussi d'aria sull'ala, sono disturbati dalla forma, causando quello che è noto come resistenza aerodinamica. Sebbene questa forza sia minore di quella del carico deportante la quantità di benzina da usare per arrivare alla velocità massima è maggiore (proprio a causa dell'elevata resistenza aerodinamica). La resistenza aerodinamica è un fattore molto importante su una macchina F1, con tutte le parti esposte al flusso d'aria. Le braccia delle sospensioni sono un buono esempio: infatti esse sono fatte a forma di un'ala (sia la superficie superiore, sia la superficie più bassa). Ciò permette di ridurre notevolmente la resistenza aerodinamica.

Alettone anteriore

Gli alettoni anteriori creano circa il 25% del "downforce" che si riduce al 10% quando una macchina segue un'altra. L'alettone anteriore è costituito da un'ala principale (1) lunga quanto la larghezza della macchina ed è unito al resto del corpo del veicolo mediante il naso (4). Sopra all'ala principale vi sono due flaps (2) che sono parti mobili e variano da pista a pista. Oggi tutti i flaps sono realizzati in carbonio, materiale rigido ma nello stesso tempo più leggero. Sui lati ci sono due lamine (sempre in carbonio) (3) che assicurano il passaggio d'aria sopra e sotto l'ala principale. Da alcuni anni queste lamine sono di fondamentale importanza poiché influenzano il passaggio d'aria intorno alle gomme anteriori.
Come si può vedere dalla foto a fianco l'ala dei flaps è asimmetrica. Riducendo l'altezza, l'aria defluisce meglio verso i radiatori e nella zona sottostante al veicolo. Se invece le ali dei flaps fossero più alte arriverebbe meno aria ai radiatori e quindi il motore si riscalderebbe troppo. La forma asimmetrica, invece permette un miglior flusso d'aria verso i radiatori e nello stesso tempo aumenta la stabilità della macchina. Spesso l'alettone è più elevato al centro come per esempi sull'Arrows. Ciò permette ancora un miglior flusso d'aria verso il fondo del veicolo. Le nuove regole del 2001 imposte dalla FIA prevedono che l'ala centrale deve essere alta dal terreno almeno 50mm, riducendo il "downforce".Altre scuderie, come ad esempi la Benetton, hanno introdotto un nuovo tipo d'ala, più basso al centro, in modo da incrementare il "downforce"
Con queste nuove regole avvenne un problema: più le ruote erano più vicine al telaio, più si creava turbolenza. Le grandi case, come ad esempio Ferrari e McLaren introdussero nuove soluzioni aerodinamiche: furono inventati delle piccole lamiere che furono furono montate sulle ali.

Alettone posteriore

Circa un terzo della forza totale del carico deportante della macchina deriva dalla presenza dell'alettone posteriore. Queste apparecchiature possono creare più di 1000N di carico deportante e possono pesare circa 7kg. Le ali del retro treno sono le uniche che variano notevolmente da pista a pista. Benché le ali del retro della macchina creano un'elevata resistenza aerodinamica, le squadre adattano l'alettone posteriore per ogni tipo di pista. Come tutti sanno il gran premio che si disputa a Monza è molto veloce e conseguentemente per ridurre il contrasto aerodinamico occorre che l'angolo d'incidenza dell'ala tende a zero ed inoltre le ali hanno una dimensione ridotta. A Monaco, dove occorre che la macchina sia molto veloce in curva, vengono usati ali posteriori con molto carico aerodinamico che sarà penalizzante su i rettilinei. Basta osservare la foto sottostante per capire la differenza!

L'ala (1) è la parte principale di cui è costituito l'alettone posteriore ed è proprio qui che avviene il maggior contrasto aerodinamico con l'aria. Questa parte dell'ala varia da gran premio a gran premio e per l'introduzione del nuovo regolamento FIA esso deve essere costituito al massimo da tre pezzi. L'ala (2) è invece più piccola ed è costituita da un solo pezzo e ha minore importanza del pezzo (1). Infatti la sua funzione fondamentale è quella di risucchiare l'aria e spingere il retro treno a terra. Infine l'ala (3) serve a unire le due ali precedentemente descritte.

Diffusori

Il diffusore è la parte meno visibile di tutta la vettura, anche se è la parte più importante. Esso si trova nella parte inferiore della macchina dietro all'asse. Qui il fondo piatto crea un grande flusso d'aria. Ciò crea un effetto al retro della macchina che la schiaccia sull'asfalto in modo da avere più aderenza. Il diffusore è costituito da tunnel che controllano questo flusso d'aria per massimizzare le prestazioni. La sua forma è determinante anche per i gas di scarico di alcune monoposto. Infatti se i tubi di scappamento delle auto da formula 1 sono montati male, può avvenire un disequilibrio sulla stabilità del mezzo. Proprio per questo motivo alcune scuderie, come la Ferrari, hanno realizzato dei veri e propri "camini" che fuoriescono dal telaio dietro al tappo del rifornimento e sono indirizzati verso l'alto. L'immagine sottostante è di un tipico diffusore.