La deportanza

Progettazione di un’auto da corsa: La deportanza

La progettazione di un’auto da corsa non è così semplice come si può pensare leggendo un articolo di un giornale. Per comprendere come si progetta un’auto da corsa bisogna anzitutto conoscere i principi fondamentali della fisica, di modo tale da comprendere che non è sufficiente studiare l’effetto o il flusso aerodinamico per avere un’auto che sia vincente ed equilibrata.

Ma andiamo con ordine.

Tutti a grandi linee conoscono gli effetti dell’aerodinamica ed alcuni termini, come carico e resistenza all’avanzamento. Non tutti conoscono però il coefficiente di resistenza aerodinamica (anche noto con i simboli Cd o Cx o Cw), cioè un coefficiente adimensionale usato per misurare la resistenza aerodinamica di un corpo in moto in un fluido. Il coefficiente di resistenza aerodinamica comprende, per un corpo generico, i contributi di due tipi di resistenza fluidodinamica: la resistenza di attrito e la resistenza di forma.

Generalmente, la resistenza aerodinamica riduce la velocità del corpo in moto e impone una dissipazione energetica, che nel nostro caso deriva dalla propulsione del motore (la propulsione è l’azione mediante la quale un corpo qualsiasi, e in particolare un veicolo, viene posto e mantenuto in movimento). Ne si deduce quindi che un veicolo con minore resistenza aerodinamica ha una minore dissipazione e consumo dell’energia e quindi una maggiore velocità. Questo viene determinato dalla forma del corpo vettura.

Per fare un esempio logico, e per capire le differenze, ipotizziamo un’auto a forma di cubo. Per muovere un’auto a forma di cubo (con sezione 0,01 m² che si muove nell’aria con densità 1,225 kg/m³ ad una velocità costante di 80 km/h), con coefficiente di resistenza aerodinamica (Cd) 1,05, serviranno 70,5 Watt di potenza (P/W)*. Mentre in un corpo affusolato, con coefficiente di resistenza aerodinamica (Cd) 0,04, saranno sufficienti 2,7 Watt (P/W)*.

*Il watt (simbolo: W) è l’unità di misura della potenza (P) del Sistema Internazionale.

Ne si deduce dunque che un corpo affusolato crea minor resistenza aerodinamica limitando la richiesta di Watt e quindi limitando i consumi di carburante che viene utilizzato per produrre la propulsione. Nel caso delle competizioni automobilistiche, come la Formula 1, il coefficiente di resistenza aerodinamica (Cx) è molto elevato, tra 0,7 e 1,1, a causa degli elementi alari (gli alettoni) che devono generare un’elevata deportanza, la quale è richiesta per ottenere la maggiore prestazione possibile*.

*In ambito automobilistico il coefficiente di resistenza aerodinamica viene a volte indicato anche come coefficiente di penetrazione aerodinamica, riferendosi alla sezione frontale del veicolo, e rappresenta ovviamente solo uno dei termini di resistenza all’avanzamento.

In questa sezione abbiamo visto come si muove un corpo in un piano orizzontale lineare, cioè in assenza di sconnessioni.

Ora passiamo all’analisi del carico aerodinamico.

Nell’ingegneria automobilistica, il carico aerodinamico è una forza che si esercita su una vettura in movimento, indotta dal flusso d’aria, tale da aumentarne l’aderenza al suolo.

Il carico aerodinamico si ottiene in tre modi:

• Mediante l’utilizzo di alettoni che deviano verso l’alto il flusso d’aria: per la terza legge di Newton (ad ogni azione corrisponde sempre una uguale ed opposta reazione), l’alettone, e quindi la vettura, riceve una forza uguale e contraria che lo spinge verso il basso. Questa forza è proporzionale al quadrato della velocità della vettura, in quanto all’aumentare della velocità crescono sia la quantità di aria spostata, sia l’entità dello spostamento;

• Mediante lo sfruttamento dell’effetto suolo: al passaggio della vettura, una certa quantità d’aria viene convogliata sotto di essa e, a causa della riduzione della sezione del flusso, aumenta la velocità e genera quindi una depressione tra la vettura e il suolo per l’effetto Venturi. Questo effetto è tanto maggiore quanto più il fondo della vettura è vicino al suolo;

• Disegnando opportunamente la forma della vettura, in modo da ottenere un effetto di deportanza.

Specialmente i progettisti di automobili da corsa generalmente cercano di ottenere il massimo carico aerodinamico possibile, in quanto una maggiore aderenza al suolo permette maggiori velocità di percorrenza in curva e minori spazi di frenata. Questa esigenza va però bilanciata con quella di ridurre la resistenza all’avanzamento della vettura, che cresce all’aumentare delle dimensioni e dell’inclinazione degli alettoni.

Per le moderne vetture di Formula 1, il carico aerodinamico alle massime velocità può raggiungere intensità dell’ordine dei 1500 chilogrammi-forza (1,5 tonnellate-forza), mentre la massa della vettura (pilota compreso) è di 600-700 kg. Questo carico permette di affrontare curve veloci con accelerazioni laterali fino a 4-5 g. Chiariti questi punti fondamentali, come si può ottenere carico senza dissipare eccessivamente l’energia a causa della resistenza all’avanzamento? Sfruttando l’effetto suolo mediante l’effetto Venturi.

Come?

Ebbene, rimarrete stupiti nello scoprire che è sufficiente sfruttare l’effetto Venturi per creare l’80% dell’intero carico aerodinamico della vettura, evitando così di dover sfruttare componenti alari che determinano la resistenza all’avanzamento e quindi la dissipazione dell’energia del propulsore.

Ma andiamo con ordine. Anzitutto, a cosa ci riferiamo quando parliamo di effetto Venturi?

L’effetto Venturi (o paradosso idrodinamico) è il fenomeno fisico per cui la pressione di una corrente fluida aumenta con il diminuire della velocità. Viene anche chiamato paradosso idrodinamico poiché si può pensare che la pressione aumenti in corrispondenza delle strozzature; tuttavia, per la legge della portata, in corrispondenza delle strozzature è la velocità ad aumentare. Quindi, considerando un tubo che finisce contro una piastra, e un fluido con una pressione leggermente superiore alla pressione atmosferica, l’aumento di velocità che la strozzatura crea tra tubo e piastra farà aumentare la velocità a scapito della pressione del fluido. Se in questo punto la pressione scende al di sotto della pressione atmosferica, la piastra tenderà a chiudere il tubo anziché volare via. Da questo nasce il paradosso idrodinamico che è una conseguenza della Legge di Bernoulli. Seppur questo concetto può sembrare complesso, riportando la spiegazione su un’automobile vi chiarirà immediatamente l’idea dell’effetto.

In una vettura in movimento, il flusso d’aria che passa nella parte sottostante (cioè tra il fondo vettura e l’asfalto) accelera, ma arrivando al diffusore trova una zona di bassa pressione (per l’effetto Venturi) e si espande ritornando a velocità normale, producendo deportanza. Ciò significa maggiore aderenza data dalla deportanza aerodinamica, accorgimento che permette alla vettura di percorrere una curva ad una velocità superiore. La deportanza prodotta permette infatti di migliorare la forza di trazione degli pneumatici, e garantisce maggiore stabilità in fase di frenata.

Il diffusore è disegnato come una sorta di ala rovesciata, che aumenta di volume lungo la sua estensione, da praticamente piatto all’inizio a estremamente scavato e rialzato nella parte finale, accorgimento concepito per creare il vuoto necessario alla compressione dell’aria proveniente da sotto la vettura. La pendenza di risalita del diffusore è importante, e deve avere un cambiamento graduale dell’angolo di inclinazione per impedire che il flusso d’aria si separi bruscamente dalla parte superiore e sui lati. All’interno di molti estrattori sono anche montate paratie verticali per convogliare l’aria e suddividere in modo omogeneo le zone di compressione (motivo per cui la FIA, nel corso degli anni, ha limitato il numero di paratie utilizzabili).

Un fondo vettura correttamente progettato è in grado di produrre effetto suolo in modo più efficiente rispetto all’utilizzo di elementi come alettoni o spoiler posizionati sugli assi anteriore e posteriore dell’auto. Infatti, gli alettoni, oltre a produrre carico aerodinamico, generano anche un’altra forza complementare, la resistenza aerodinamica all’avanzamento, che come abbiamo visto è controproducente per le velocità massime e per i consumi di carburante. Ciò ci fa intuire che più aria portiamo sotto il fondo vettura, limitando la dissipazione laterale, più carico generiamo. Ma dato che per regolamento non è possibile montare delle bandelle laterali creando un canale fisico attorno al fondo della vettura, come ovviano i progettisti a questo problema?

È semplice: attraverso il flusso d’aria che impatta sull’alettone anteriore, studiandone la forma, si creano due vortici laterali che hanno la funzione di creare due binari attorno ai due lati della vettura, di modo tale che il canale d’aria centrale possa essere correttamente convogliato sotto la vettura, sfruttando l’effetto Venturi per generare carico aerodinamico. Ecco perché l’alettone da solo determina il 50% del corretto funzionamento dell’aerodinamica di una vettura da corsa.

Per aumentare ulteriormente l’effetto Venturi, in Formula Uno si utilizza l’assetto Rake (termine inglese che significa rastrello), vale a dire l’inclinazione del corpo vettura di circa due gradi rispetto al piano orizzontale, garantendo un’ulteriore accelerazione dell’aria che scorre tra il fondo e l’asfalto. È però noto che grazie all’utilizzo di richiami idraulici delle leve posteriori, sfruttando aree di calore che determinano la pressione di utilizzo dell’olio presente all’interno del cilindro, è possibile modificare l’altezza da terra facendo in modo che l’asse posteriore possa discendere in fase di accelerazione in rettilineo, fino al rilascio dell’acceleratore.

Tutto questo studio è però relativo a una condizione ottimale, vale a dire con una penetrazione aerodinamica su un piano orizzontale liscio, cioè in assenza di sconnessioni. Questi, infatti, sono gli studi che vengono prodotti e sviluppati in galleria del vento, cioè con vettura fissa in assenza di modifiche dell’altezza dal piano orizzontale.

Ma cosa succede in un circuito, dove generalmente sono presenti disconnessioni del piano orizzontale?

Ebbene, in assenza di un piano orizzontale perfettamente liscio, il mantenimento dell’altezza da terra, che determina un corretto utilizzo dell’effetto Venturi per creare deportanza, è determinato dalle leve, chiamate più comunemente sospensioni, e dagli ammortizzatori/smorzatori di forza. La sospensione di un veicolo è l’insieme dei componenti mediante i quali il telaio è collegato alle ruote del veicolo, o più generalmente indica il collegamento tra le masse sospese del veicolo* con le masse non sospese**.

* La massa sospesa di un mezzo da corsa è quell’insieme di elementi che subiscono o dovrebbero subire una variazione della loro distanza dal suolo, vale a dire il telaio, motore e serbatoio, trasmissione, carena.

**La massa non sospesa di un mezzo da corsa o da trasporto è quell’insieme di elementi che non subiscono o non dovrebbero subire una variazione della loro distanza dal suolo, dato che costituiscono un insieme di elementi strettamente legati tra loro, che non subiscono variazioni di forma o distanza tra loro, ma sono strettamente legati alle masse sospese, con le quali si ha una continua variazione della distanza; questi sono il pneumatico, il cerchione, l’impianto frenante, la sospensione e l’ammortizzatore. 

I componenti della sospensione controllano i movimenti del telaio rispetto alle ruote (cosiddetti braccetti o puntoni, molla), consentendo la compressione o l’estensione al variare delle forze in gioco; inoltre all’elemento elastico venne quasi subito applicato l’ammortizzatore, un elemento che ne smorza e rallenta l’oscillazione. L’obiettivo principale dell’impiego delle sospensioni in un’auto da corsa è quello di ottenere, nel complesso e durante i vari percorsi, un’ottimale stabilità del veicolo.

Lo studio delle leve, più comunemente conosciute come sospensioni, diventa dunque fondamentale, poiché queste devono garantire la stabilità dell’altezza da terra in qualsiasi condizione all’avanzamento del veicolo, indipendentemente che sia in fase lineare o radiale. Infatti, proprio perché nei circuiti esistono le curve, l’avanzamento radiale determina la creazione dei fenomeni fisici di beccheggio, rollio e imbarcata, che impattano fortemente sulla progettualità della funzionalità e della geometria delle leve o sospensioni.

A tutto ciò bisogna infine legare il funzionamento dell’utilizzo del pneumatico, che può surriscaldarsi o necessitare del surriscaldamento, determinando la decelerazione anticipata o posticipata, oltre alla lunghezza stessa, l’accelerazione, eccetera, modificando la qualità degli effetti di beccheggio, rollio e imbarcata, determinando anch’esso la progettualità della funzionalità e della geometria delle leve o sospensioni. Capirete dunque che per trovare un punto di equilibrio che garantisca la migliore prestazione assoluta dell’auto è necessario conoscere tutti i fenomeni fisici e coordinare tutte le forze propulsive, meccaniche e aerodinamiche, e che tutti i gruppi lavorino in coesione.

Infine bisogna valutare l’effetto fisico più importante, vale a dire il distanziale posto tra il volante e il serbatoio, più comunemente chiamato pilota, che determina la qualità finale dell’immenso numero di dati e dettagli che vengono studiati da un progettista o da una squadra di progettisti in fase di progettazione; un effetto di cui un ingegnere non riesce a calcolare i valori.

Scherzi a parte, in questo articolo abbiamo capito come funziona un’auto in condizioni ottimali di penetrazione aerodinamica su asse di percorrenza orizzontale liscio, e quali sono i valori tali per cui viene determinata l’efficienza aerodinamica di una vettura. Nel prossimo articolo, dunque, continueremo a comprendere gli effetti fisici che determinano i cambiamenti di stabilità della vettura in curva.

Concludo col dire che spesse volte i giornalisti, poco consoni alla complessa comprensione dell’enormità di dati ed effetti che si creano attorno alla complessità della progettazione di una vettura guidata da un pilota, troppo spesso utilizzano termini semplicistici per spiegare concetti in realtà molto più complessi, e per questo motivo si creano situazioni nella quale il lettore si convince che chi è arrivato ad un livello tale da poter progettare un’auto da corsa è talvolta un incompetente. Questo può essere valido solo in alcuni casi, ma non è sempre così, dato che capirete che la progettazione dell’auto è determinata da un lavoro di equipe, e non da un singolo uomo.

Quindi scoprirete, alla fine di questo percorso di apprendimento, come in realtà la progettazione di un’automobile da corsa sia molto più complessa di quanto non si possa pensare, e come perfino il motore possa influire sulla complessità dei fenomeni che determinano la qualità dell’aerodinamica e della percorrenza in rettilineo e in curva di un’auto da corsa.

Autore: Fulvio Conti