Simulazione del “Best Lap Time” di una vettura di Formula 1 – PARTE 1

Negli ultimi anni, grazie all’assenza dei test in pista, in Formula 1 si è fatto un gran parlare di simulatori, più o meno sofisticati o
più o meno costosi.

Innanzitutto è bene fare una distinzione di base sui
simulatori: gli emulatori e i veri e propri simulatori.

Gli emulatori sono quei software che da bambini/ragazzi
tutti noi abbiamo usato nelle sale giochi, alla playstation oppure sui PC
casalinghi, cioè software più o meno complessi, costosi e pesanti, il cui unico
scopo è, a partire da un modello di vettura identificato ma generico, emulare
la guida di una vettura di formula 1 su tutte le piste del campionato mondiale.
In tutti questi simulatori, o meglio emulatori, è possibile regolare alcuni
parametri dell’assetto della vettura, come per esempio parametri aerodinamici,
meccanici (sospensioni e rapporti del cambio) e le gomme attraverso la mescola
e la pressione. L’effetto della variazione di tutti questi parametri è poi
più o meno discutibile, sensibile e realistico.

Lo scopo principale di questi emulatori, è rendere
l’emulazione più realistica possibile in termini grafici, estetici e funzionali
(duelli in pista, incidenti, suoni , livello degli avversari ecc), tanto è vero
che nel corso degli anni sono aumentate notevolmente le richieste hardware, in
termini di RAM, memoria e potenza di calcolo dei processori e delle schede
video, necessari per farli girare correttamente e in maniera fluida.

Fanno invece parte dei veri e propri simulatori, i complessi
e costosissimi strumenti utilizzati da tutte le case automobilistiche
produttori di vetture da competizione.

La differenza fondamentale tra simulatori ed emulatori, sta
proprio nel fatto che i simulatori usati in formula 1 hanno lo scopo principale
di simulare nel modo più possibile e realistico il comportamento di una vettura
vera per dare al pilota un feedback il più vicino possibile alla realtà a
scapito eventualmente dell’aspetto grafico ed estetico. In altre parole, il
modello di vettura diventa la somma di tanti componenti il cui comportamento
viene modellizzato da complicate relazioni matematiche al fine di riprodurre il
più realisticamente possibile il comportamento e il feedback che viene
trasmesso al pilota che guida.

La seconda differenza fondamentale, tra gli emulatori commerciali
e i simulatori adottati dalle squadre di F1, sta nel fatto che in questi ultimi
sono realizzati per riuscire a prevedere il comportamento e il feedback di una
monoposto prima che questa faccia un solo metro in pista, è possibile quindi
sperimentare delle nuove componenti (sia meccaniche che aerodinamiche), che i
tecnici studiano e deliberano, prima di costruirli e portarli in pista
veramente (con un evidente risparmio di denaro, tempo e risorse).

Questa importantissima funzione è possibile grazie al fatto
che il modello (interamente virtuale) di vettura che viene prodotto e il frutto
dell’unione di tutte le componenti che questa possiede nella realtà che vengono
appunto modellizzare attraverso complicate equazioni matematiche che ne
descrivono il comportamento e la loro interazione con il resto della vettura.

La costruzione del modello di una componente beneficia molto
dei dati provenienti dagli settori specifici che hanno sperimentato quella
componente attraverso la CFD o piuttosto la galleria del vento oppure
simulazioni ai banchi dinamici. Per esempio, se si ha intenzione di portare una
nuova componente aerodinamica dell’ala anteriore, dopo averla ideata e provata
alla CFD e in galleria del vento, si passa poi alla modellazione matematica
della componente e delle sue interazioni con il resto della monoposto. Per
costruire questo modello ci si basa sui
dati sperimentali che sono stati ricavati prima alla CFD e poi in galleria del
vento.

Questo aspetto di poter provare l’effetto che la nuova
componente produce realmente in pista, anche in termini di feedback di guida,
consente il vero e proprio sviluppo della monoposto e consente anche di
assettare le monoposto a partire da una configurazione di base, che permette di
raggiungere la massima prestazione possibile. Questo lavoro al simulatore
consente anche ai singoli piloti di modificare l’assetto di base in funzione
del loro personale feedback con la vettura.

Durante i weekend di gara, il lavoro effettuato al
simulatore in tempo reale da un pilota collaudatore che rimane in sede,
consente di migliorare l’assetto della vettura anche in base alle particolari
condizioni meteo presenti, riproducendo anche dati particolari come la
temperatura asfalto e il particolare comportamento degli pneumatici, compito quest’ultimo
estremamente complesso in quanto da sempre, lo pneumatico oltre ad avere un
comportamento abbastanza imprevedibile, ha l’impatto maggiore sia sul
comportamento della vettura in pista sia sul livello di performance
raggiungibile, in termini di “lap Time”.

Ma quella che noi vogliamo presentare è una terza possibilità di simulazione, quella che consiste
nella simulazione del migliore “lap Time” in funzione delle caratteristiche fisiche e
prestazionali di una vettura. Questo tipo di simulazione consente di capire
quali e quanto i parametri influenzano le prestazioni di una vettura. Per far
questo tipo di simulazione è necessario avere a disposizione un software o una
serie di programmi capaci di simulare un giro di pista in funzione di una serie
di parametri.

In questo tipo di software la componente di guida non viene
considerata, cioè il pilota è puramente virtuale, ma serve per analizzare
solamente le potenzialità della vettura in funzione di alcuni parametri e
valutarne l’effetto della variazione di questi parametri su quello che viene
chiamato il “lap Time”.

Il modello di vettura considerato in questa simulazione è
una vettura standard, molto semplice che ha i seguenti parametri di base:

• Massa: 705 kg
• Potenza 975 CV
• Passo: 3.525 m
• Altezza del baricentro dal suolo 0.25 m, cioè 25 cm;
• Ripartizione aerodinamica e dei pesi anteriore: 47%;
• Densità dell’aria: 1.225 Kg/m^3

Altri dati numerici e dimensionali sono presenti, ma
risultano meno importanti oppure sono dettati dai regolamenti e quindi
risultano standardizzati oppure immodificabili.

Un importantissimo parametro è il coefficiente di aderenza
tra gomma ed asfalto, questo parametro varia però da pista a pista, in funzione
anche della mescola di gomma che viene usata.

La pista che si prenderà in esame è quella di Monza che
tutti noi conosciamo e che molti lettori di F1AnalisiTecnica conosceranno anche
dal vivo.

E’ giusto inoltre fare alcune premesse.

1) Quando si vanno a considerare i coefficienti aerodinamici
di deportanza e di resistenza, è maggiormente corretto considerare il prodotto
della superficie di riferimento (che per le auto, tradizionalmente, è la
superficie frontale) con il coefficiente di deportanza Cz oppure di resistenza
Cx. Questo perché la grandezza “superficie di riferimento” è una dicitura
puramente convenzionale che niente ha a che fare con la reale misura della
superficie frontale del veicolo che può variare in funzione della
configurazione utilizzata.

Le famose formule che danno la resistenza e la deportanza
aerodinamica che tutti conoscono, vengono infatti ricavate per via dimensionale
e non vengono derivate da nessuna considerazione fisica. Quando si parlerà
perciò di coefficiente di deportanza o di resistenza, si intenderà sempre il
prodotto SCx e SCz.

2) In queste simulazioni fatte non si considereranno i tratti
transitori, ne gli effetti dinamici relativi alle variazioni dei coefficiente
aerodinamici, cioè per esempio quelle fasi in cui il pilota ruota lo sterzo,
toglie il piede dall’acceleratore e frena inoltre il tempo che ci mette per
premere a fondo il pedale del freno verrà trascurato.

3) La vettura considerata non ha il cambio, il motore per cui
si trova sempre in posizione di massima potenza (questa considerazione è tanto
pesante a prima vista, quanto invece realistica per un’auto di Formula 1 che si
trova a girare quasi sempre con motore vicino al massimo dei giri motore);

4) Il movimento delle sospensioni non è stato considerato per
due motivi fondamentalmente: la totale mancanza di dati su queste componenti, e
il fatto che ai fini di una valutazione primordiale delle prestazione il
movimento delle sospensioni è trascurabile, ancorchè molto ridotto su una
vettura di tipo Formula 1.

5) Il comportamento del KERS è praticamente quasi trascurato
se non nella stima molto approssimativa del consumo di carburante, ma non compare
in termini di accelerazione.

Sono poi state fatte altre approssimazioni e
semplificazioni, che servivano principalmente per riuscire a completare un
modello relativamente semplice che servisse a fare alcune considerazioni di
carattere generale.

Il circuito viene così modellizzato calcolando le varie
grandezze che si sono prese in esame in un elevato numero di punti
equi-spaziati di 1 mm, ragion per cui il circuito di Monza che è lungo 5793m
viene scomposto in 5 793 000 tratti e vengono così calcolati tutti i risultati
in tutti questi tratti. Vengono inoltre considerati ovviamente le variazioni
altimetriche (anche se considerate linearmente) e viene modellizzato anche
l’effetto del DRS.

FINE PRIMA PARTE …..  CONTINUA …. PARTE 2