L'angolo della cultura

Comportamento Aerodinamico di una Formula 1

La legge fisica che governa il comportamento aerodinamico di una monoposto di Formula 1 è la legge di Bernoulli, detta anche trinomio di Bernoulli:

p + 1/2 ρ v2 + ρ g h = costante
dove:
p = pressione del fluido
ρ = densità del fluido
v = velocità del fluido
g = accelerazione di gravità
h = altezza del fluido

La legge di Bernoulli governa il comportamento aerodinamico di una monoposto di Formula 1. L'aerodinamica è composta sostanzialmente da due elementi tra loro interconnessi: uno è la deportanza ottenuta attraverso l'ala anteriore e quella posteriore, l'altro è l'effetto suolo.
Deportanza
La deportanza è l'esatto contrario della portanza. La portanza è quella forza che sfruttando il profilo alare delle ali di un'aeroplano, genere una forza diretta verso l'alto che solleva l'aeroplano da terra. La deportanza invece la si ottiene "girando sottosopra" le ali dell'aeroplano, quindi la forza generata dal profilo alare di una F1 che gerera deportanza, è diretta verso il basso. Tale profilo è disegnato in modo che la velocità dell'aria sia più elevata nella parte inferiore del profilo, il che provoca un pressione maggiore sopra l'ala che sotto. Il risultato è appunto una forza verso il basso. La deportanza è sfruttata sia all'anteriore, dove la forza generata dall'ala anteriore è applicata per ottenere aderenza all'avantreno della monoposto, sia al posteriore, per ottenere aderenza al retrotreno al fine di scaricare meglio la potenza.
p + 1/2 ρ v2 + ρ g h = costante
Applicando la legge di Bernoulli sopra e sotto il profilo alare, la densità del fluido ρ, l'accelerazione di gravità g sono costanti, mentre l'altezza del fluido h non ha variazioni tali da generare grandi differenze di energia potenziale, quindi solo la pressione p e la velocità v influenzano sulla deportanza. Il profilo alare viene quindi progettato al fine di generare differenze di velocità che generano differenze di pressioni tali da ottenere la forza detta deportanza.
L'ala anteriore contribuisce al 25% del carico aerodinamico totale tuttavia essendo davanti la sua aerodinamica è la prima ad essere alterata,basti pensare che la turbolenza generata da una monoposto che si trova davanti l'ala anteriore ne fa perdere il 30% del suo carico aerodinamico. L'aerodinamica dell'ala anteriore è studiata accuratamente perchè il flusso d'aria che lascia l'ala è lo stesso che attraverserà il fondo piatto e il diffusore,per i quali il rendimento è migliore se il flusso che li investe non è turbolento.
L'ala posteriore contribuisce a un terzo del carico aerodinamico totale della monoposto ed è dotata di un numero variabile di profili alari a seconda del tipo di pista,veloce o lenta,su cui deve correre.I profili alari sono incernierati alle paratie laterali in modo da regolare l'incidenza e quindi il carico che essi generano,inoltre le paratie laterali,oltre a funzionare da supporto dei profili servono a ridurre l'intensità dei vortici di estremità che condizionano l'efficienza dell'ala stessa.
L'effetto suolo
Per capire l'effetto suolo di una monoposto occorre partire dall'ala anteriore. L'ala anteriore ha una doppia funzione: quella di generare deportanza all'avantreno e quella di convogliare più aria possibile sotto la vettura, tra il fondo e l'asfalto. Quindi una monoposto è investita da un flusso d'aria, parte del quale scorre sopra la monoposto, l'altra parte scorre sotto. In definitiva tutta la vettura si comporta come un grande profilo alare. L'aria che scorre sotto la vettura è costretta a passare in uno spazio ristrettissimo, di pochi centimetri (altezza da terra della vettura), quindi man mano che la sezione si restringe, per l'effetto Venturi, velocità dell'aria aumenta, facendo diminuire la pressione stessa al di sotto della vettura. Al contrario, sopra la monoposto, l'aria non è costretta a passare attraverso una sezione ristretta, quindi la velocità più bassa in relazione a quella sotto la vettura, e la pressione è più grande. Questa differenza di pressione genera altra deportanza aerodinamica, quindi altra aderenza. Quindi per aumentare l'effetto suolo non devo far altro che aumentare la velocità del flusso che scorre sotto la vettura. Per ottenere questo aumento di velocità, come ho già detto, occorre convogliare la maggior quantità possibile l'aria sotto la vettura, ma non è l'unico sistema per velocizzare il flusso. Infatti se un sistema è immettere aria in entrata, un'altro sistema è risucchiarla in uscita. Un metodo per risucchiare l'aria in uscita (velocizzando il flusso sotto la vettura) è quello di applicare un diffusore al retrotreno che accompagna il flusso in uscita da sotto la monoposto. L'aumento della sezione, di fatto fa diminuire la velocità del fluido facendogli recuperare la pressione ambientale. Questo però non è del tutto vero poichè la depressione turbolenta generata dall'ala posteriore diminuisce la pressione nella zona del diffusore. Di fatto la pressione in uscita dal diffusore è inferiore a quella in entrata, generando un'ulteriore accelerazionde del flusso aerodinamico sotto la monoposto. Un'altro fattore importante che riguarda l'effetto suolo, è il controllo dei flussi laterali della monoposto, per intendersi quelli che scorrono attorno alle pance. In prossimità delle prese d'aria di raffreddamento nelle pance, subito prima, ci sono delle appendici aerodinamiche chiamare deflettori o deviatori di flusso. Queste paratie hanno lo scopo di convogliare l'aria all'esterno, attorno alle pance laterali, e di immetter l'aria sotto la vettura in prossimià delle stesse pance laterali. Questo flusso non fa altro che aumentare il flusso d'aria al di sotto della vettura, incrementando ulteriormente l'effetto suolo.
Mentre la deportanza ottenuta tramite i profili alari li paghiamo in termini di resistenza aerodinamica, poichè si aggiungono i profili alari che altrimenti non ci sarebbero proprio, peggiorando drasticamente il CX della monoposto, l'effetto suolo non lo si paga in termini di resistenza aerodinamica, o meglio, non modifico il CX originario della vettura, poichè i cambiamenti sono minimi. Va detto però che l'effetto suolo e la deportanza alare sono due sistemi che collaborano simultaneamente.

Occorre precisare inoltre che le monoposto di Formula 1 sono sempre state vetture a ruote scoperte per regolamento e con l'abitacolo aperto. Le ruote scoperte incidono molto sul CX, che a causa delle loro grandi dimensioni sono responsabili di un terzo della resistenza aerodinamica totale della monoposto. Una carenatura permettebbe di controllare meglio l'aerodinamica, ma essendo vietata da regolamento, per ovviare a questo inconveniente, gli estremi dell'ala anteriore sono sagomati in maniera tale da deviare l'aria sopra e attorno alla ruota creano così una sorta di carena aerodinamica. Questo sistema è adottato anche per le ruote posteriori, con le appendici aerodinamiche poste subito prima la ruota stessa. Per quanto riguarda l'abitacolo aperto, i progettisto hanno saputo fare ben poco. Il casco sagomato permette all'aria di fluire maggiore nell'airscoop, una presa d'aria sopra la testa del pilota (sistema di sovralimentazione).
Per quanto riguarda la progettazione della parte anteriore della monoposto, tutta la monoposto è disegnata per fare in modo che il flusso che colpisce l'ala posteriore sia il più "pulito" e diretto possibile.
Infine un ruolo cruciale per l'aerodinamica di un Formula 1 è il posizionamento degli scarichi. Le soluzioni solo sostanzsialmente tre: sotto la vettura, sopra la vettura e nel retrotreno.
Posizionando gli scarichi sotto la vettura, a seconda del funzionamento del motore, quindi di come vengono soffiato i gas di scarico, vi sarabbe un incremento dell'aria nel fondo vettura, con relativo aumento dell'effetto suolo. Questo sistema genera discontinuità di deportanza dovuta all'effetto suolo.
Posizionando gli scarichi nel retrotreno, tra il diffusore e l'ala posteriore, si andrebbe ad aumentare la pressione dell'aria in quella zona, compromettendo la depressione utile a risucchiare aria tramite il diffusore.

Posizionandolo sopra la vettura, sopra il motore, poco prima delle ruote posteriori, si può aumentare il flusso d'aria che investe l'ala posteriore e le relative appendici alari. Studiando questo flusso d'aria in particolare si cerca di impedire che i gas di scarico investano i bracci delle sospensioni posteriori per evitare forti sollecitazioni termiche

Interessante no?