L'IDEA DI FONDO: Come lavora l'aerodinamica di una F1

Spesso, quando tra Gennaio e Febbraio vengono presentate le nuove monoposto di F1, si leggono da ogni dove approfondimenti sull'unico aspetto visibile delle nuove auto: le appendici aerodinamiche. 
Personalmente, però, trovo un po' difficile, per un utente medio, comprendere fino in fondo l'utilità di un'appendice aerodinamica se prima non viene spiegato il funzionamento complessivo dell'aerodinamica delle monoposto in stile Formula.  In un'auto di F1, infatti, nessuna appendice lavora da sola e, senza le dovute premesse, qualunque approfondimento sull'argomento (anche se svolto e argomentato in modo magistrale) rischia di manifestarsi ai più come una vera e propria Supercazzola.

In quest'articolo, quindi, cercherò di spiegarti in che modo una monoposto Formula genera carico aerodinamico, per poi individuare quali sono le zone dell'auto in cui un'appendice aerodinamica assume un ruolo cruciale. Per farlo però sarà necessario ripassare...

...un po' di storia: 

Dagli albori del Campionato del Mondo di F1 ad oggi è possibile distinguere 4 fasi; ognuna caratterizzata da una precisa concezione della forma dell'auto in funzione della sua aerodinamica: 

1) 1950 / 1967 - Fase Aeronautica:  

Nei primi anni '50 la tecnologia impiegata nelle auto da corsa altro non era che quella degli aerei da combattimento della Seconda Guerra Mondiale applicata al campo automobilistico.  La forma a sigaro della carrozzeria ricorda infatti quella della carlinga di un aereo senz'ali con il posteriore che si va affusolando nella ricerca della minor resistenza all'avanzamento possibile.
Nel giro di 10 anni la forma delle auto viene sconvolta da importanti evoluzioni a livello telaistico e di distribuzione dei pesi che fanno passare l'aspetto aerodinamico decisamente in secondo piano, almeno sino al 1967...   

2) 1968 / 1977 - Il Tempo delle Ali:

Nel 1968 la Ferrari 312 F1 firmata Forghieri monta per prima un alettone al posteriore; entro la fine di quell'anno tutti adottano quella stessa soluzione. 
Da allora in circa 10 anni la forma delle auto viene del tutto rivoluzionata con l'intero corpo vettura che assume una forma mirata a deviare il flusso d'aria verso l'alto lavorando esattamente come un alettone generando, perciò, carico aerodinamico. 

3) 1978 / 1990 - L' Effetto Suolo: 

Con la Lotus 79 si apre una nuova era della F1. La rivoluzionarietà di quest'auto sta nello sfruttare per la prima volta i flussi d'aria che passano al di sotto del telaio (appositamente isolati tramite minigonne laterali) per generare carico aerodinamico grazie all'effetto Venturi. Dall'anno successivo si adatteranno tutti.

L'incremento di carico aerodinamico è notevole (molte auto di quegli anni, infatti, si dimostrarono estremamente competitive pur rinunciando alle ali anteriori e riducendo all'osso quelle posteriori) e il vertiginoso aumento delle velocità in curva (probabilmente unito alla tragica morte di Gilles Villeneuve) spaventò i vertici della FIA al punto che le cosiddette Wing Car vennero vietate a partire dall'83.
Da quell'anno la forma delle auto cambiò in modo importante: le ali tornarono a farsi imponenti, ma il concetto aerodinamico delle F1 non era cambiato e nel corso degli anni 80 gli ingegneri continuarono a sviluppare aerodinamicamente le vetture nel tentativo di tornare a sfruttare l'effetto suolo in qualche altro modo. Le auto, mantenendo infatti il fondo piatto e il diffusore, all'atto pratico non smetteranno mai fino in fondo di usare l'effetto suolo.

4) 1991 / Oggi - Sopra il Fondo c'è di più:

Nel 1991 per la prima volta si vede sulla Benetton un musetto rialzato. Inizialmente questa soluzione non si dimostrerà particolarmente efficace ma, una volta perfezionata, consentirà a Schumacher di dominare i campionati mondiali 94 e 95. Alla base della competitività di questa soluzione sta il fatto che, aumentando la portata di aria che investe le pance, è possibile sfruttarne il flusso per aumentare l'efficienza del diffusore, a patto che il flusso rimanga "attaccato" alle fiancate dell'auto per tutta la loro estensione. 
Ad oggi il concetto aerodinamico delle monoposto di F1 non è cambiato, ma l'evoluzione di questo stesso concetto ha portato le moderne vetture di F1 a raggiungere valori di carico di molto superiori a quelli raggiunti dalle suddette Wing Car.  

Ricapitolando...

Abbiamo visto che l'aerodinamica delle moderne F1 è mirata a sviluppare 4 aspetti fondamentali: 

1) Ridurre la resistenza aerodinamica. 
2) Generare carico attraverso le ali.
3) Generare carico attraverso i flussi al di sotto del fondo.
4) Generare carico ottimizzando i flussi al di sopra del fondo.

Considerando che la riduzione della resistenza aerodinamica meriterebbe un articolo apposito (e lo farò 😜) e che di ali ne abbiamo già parlato in questo articolo, oggi vorrei concentrare la tua attenzione sullo sfruttamento del fondo. Anche perchè, se hai letto della fase 3, avrai capito che l'effetto suolo è in grado di generare molto più carico di quanto non se ne possa ottenere dalle ali e, in Formula 1, è con il carico aerodinamico che si vincono i mondiali. 

Con l'aiuto dei risultati ottenuti da una simulazione CFD approssimativa eseguita su un modello CAD creato dal sottoscritto seguendo il regolamento tecnico F1 2017 (quello del logo 😉), cercherò di approfondire all'atto pratico quale sia l'effetto di alcune appendici aerodinamiche sui flussi d'aria che investono l'auto. 

Non hai la più pallida idea di come interpretare i flussi?   Tranquillo!  Quest'articolo l'ho scritto per te.

L'idea di Fondo:

Componente fondamentale per generare carico dai flussi al di sotto del fondo è il diffusore, la sua dimensione e la sua forma determinano la differenza di velocità e pressione del flusso d'aria prima e dopo averlo incontrato.

Come puoi vedere i flussi d'aria, molto ravvicinati sotto il fondo dell'auto, oltre ad essere deviati verso l'alto dal diffusore (che significa deportanza), si distanziano attraversandolo.
La cosa può essere interpretata affermando che dietro l'auto la pressione dell'aria e superiore a quella che c'è sotto, dove il flusso d'aria è più veloce come ci mostra anche la colorazione più tendente al rosso. 
Ora, se le pressioni dietro l'auto e al di sopra di essa fossero uguali, questa differenza di pressione sarebbe già sufficiente a generare una forza proporzionale alla superficie del fondo (ben maggiore di quella delle ali) che spinge quest'ultimo e l'intera auto con lui verso il basso. 
In realtà la pressione dietro l'auto è ancora minore rispetto a quella che c'è al di sopra di essa e questo è dovuto alla resistenza all'avanzamento: 
Come saprai, infatti, ad alte velocità dietro l'auto si crea una bolla di bassa pressione generalmente definita come scia; la differenza di pressioni tra sopra e sotto il fondo è quindi ancora maggiore e, allo stesso modo, è maggiore il carico aerodinamico generato.

E qui sfatiamo un primo falso mito sull'aerodinamica delle F1:

"Il diffusore genera carico senza aumentare la resistenza all'avanzamento" 

A parte che un'affermazione di questo tipo non può mai definirsi corretta in quanto, quando si genera deportanza, si parla sempre di resistenza indotta data dai vortici di scia e il diffusore non fa eccezione come puoi facilmente vedere...

 ... ma abbiamo visto che il diffusore dimostra addirittura di beneficiare della resistenza all'avanzamento dato che minore è la pressione dietro l'auto, minore sarà quella al di sotto del fondo. Proprio a questo proposito, a commento dell'articolo in cui si parlava di ali, un lettore appassionato di aeronautica mi fece notare che le ali posteriori delle F1 presentano un incidenza spropositata rispetto a quelle degli aerei che le rende dei veri e propri freni aerodinamici. 
Ora avrai capito che il freno aerodinamico e quindi la forma stessa dell'alettone posteriore è funzionale a far funzionare il fondo; quindi è vero che una modifica al diffusore aumenta meno la resistenza aerodinamica di una alle ali, ma le modifiche alle ali difficilmente sono fini a se stesse.
A proposito di freni aerodinamici, merita attenzione la soluzione sperimentata da McLaren nel 2014 per carenare i bracci della sospensione posteriore...

 

Ora dovresti avere un'idea abbastanza chiara di cosa succede sotto il fondo piatto di una Formula 1, facciamo quindi un ulteriore step provando a vedere cosa succede sopra. 

Il principio di base:

Se hai osservato bene la prima immagine CFD avrai notato che, se le linee di flusso tendono a distanziarsi attraversando il diffusore, i flussi tendono a ravvicinarsi una volta superata l'auto. Questo significa che l'aria, che tende a rallentare uscendo dal diffusore, accelera nuovamente dopo averlo superato. 

Maggiore velocità significa minore pressione e una minore pressione dietro l'auto abbiamo visto portare con se più deportanza; ma come fanno gli ingegneri ad accelerare il flusso d'aria in uscita dal diffusore? 

Semplice! La "spingono" utilizzando un flusso d'aria più veloce che, arrivando dalla superficie superiore del diffusore "tira via" con se l'aria che vien fuori dal diffusore sfruttandone la viscosità. 

Il difficile, a dir la verità, e far arrivare un flusso d'aria importante (più ce n'è meglio è) al di sopra del diffusore. L'idea di aumentare l'efficienza del diffusore in questo modo cominciò a diffondersi a metà degli anni '80, ma all'epoca l'aria veniva recuperata unicamente dalla zona delle pance; una zona molto "sporca" data la presenza delle turbolenze create dalle ruote anteriori... 

 

La rivoluzionarietà del musetto alto Benetton sta nel fatto di cominciare a considerare l'opportunità di sfruttare il flusso d'aria che investe l'auto frontalmente. Un flusso molto più pulito e potente che avrebbe un potenziale molto superiore se arrivasse al di sopra del diffusore. 
La difficoltà è data dal dover oltrepassare le pance facendo un "giro" di questo tipo.

Ricordando che un colore più tendente al rosso indica una maggiore velocità del flusso, puoi notare che la velocità del flusso d'aria che passa al di sopra del diffusore è superiore a quella dell'aria che investe il musetto dell'auto. 
Nota bene che in quest'immagine sono evidenziati solo i flussi d'aria che passano al di sopra del diffusore e l'ideale sarebbe che tutta l'aria che investe la zona al di sotto e ai lati del musetto finisse sul diffusore. 
Io, però, sono un umile studente universitario e sarei ridicolo se non ammettessi che il mio modello ha dei limiti; quindi non solo lo farò, evidenziando tutti i flussi che investono la zona inferiore e laterale del muso, ma sfrutterò i limiti del mio modello per mostrarti quali sono le zone cruciali che tutt'ora fanno la differenza tra i top team e tutti gli altri.  

Come puoi vedere una parte importante del flusso d'aria che investe il musetto si distacca dalle pance dell'auto finendo, inutilizzato, al di là delle ruote posteriori. Limitare questo fenomeno diventa cruciale per ottenere deportanza. Cruciali saranno quindi tutte le appendici aerodinamiche che circondano l'imboccatura delle pance nel punto in cui il distacco si fa più probabile. 
Osservando l'immagine noterai che è ben visibile una zona vorticosa proprio davanti alle ruote posteriori che crea una vera e propria bolla che devia notevolmente il flusso d'aria spingendo una buona parte dei flussi verso l'esterno della ruota posteriore. 
La formazione di questa zona turbolenta è da attribuirsi al disegno delle pance e in particolare al raggio della curvatura che esse hanno nella parte bassa dell'imboccatura. Fondamentale diventa perciò rastremare questa parte delle pance per ammorbidirne lo "spigolo". (cosa non facile dato che lì si trovano i radiatori) 

A proposito di rastremazione, è arrivato il momento di sfatare un altro falso mito; un vero tormentone del periodo delle presentazioni:

I confronti della zona detta Coca-Cola della macchina fatti dalle foto dall'alto.

Trovata rigorosamente su Google immagini. 

Mamma mia quanto mi fanno innervosire! 
Tutti giù a dire: "Mamma mia quanto è stretta dietro!" o "quella ce l'ha più larga, quindi è più lenta!"   😡

Tolto che non sempre una pancia rastremata è sufficiente per raggiungere buoni valori di carico, ciò che conta è il disegno complessivo, l'angolo e la larghezza all'imboccatura della pancia; ma soprattutto quello che conta è il disegno della pancia nella parte più bassa, dove la rastremazione è infatti maggiore. Disegno che in queste foto non è visibile affatto!  

Morale della favola? Confronti del tutto inutili. 

Concludo con una chicca: 

Se ricordi alla fine del ripasso storico ti dicevo che le moderne auto di F1 hanno raggiunto valori di carico aerodinamico di molto superiori rispetto alle Wing Cars di inizio anni '80... 
Ma come fanno a sfruttare così bene i flussi al di sotto del fondo senza avere la possibilità di isolarli con le minigonne, tutt'ora vietate? 

Hai presente quegli intagli sul fondo che le moderne F1 presentano davanti alle ruote posteriori?   Ecco più o meno come lavorano:

Sfruttando la spinta verso il basso data dalla rotazione della ruota posteriore, questi generatori di vortici creano una zona turbolenta, sopra e sotto il fondo; una sorta di bolla che ha l'effetto di isolare i flussi sotto il fondo lavorando come una vera e propria "minigonna aerodinamica". 
Per mostrarti meglio la loro efficacia ho evidenziato in giallo la zona turbolenta creata e in celeste i flussi sotto il fondo.

 
Ottimo! Anche oggi direi che di carne al fuoco ne abbiamo messa davvero tanta.
Ci tengo a precisare che, come ripeto spesso, io non sono un ingegnere, ma uno studente di Ingegneria e non posso avere la pretesa di aver scoperto tutti i segreti aerodinamici delle moderne vetture della massima Formula. Tutto quello che ho scritto è una mia interpretazione costruita sui miei studi e sulla mia conoscenza del mondo della Formula 1. Prendila semplicemente come una serie di consigli su come interpretare le forme delle monoposto.   😉
Come sempre, se hai trovato utile l'articolo o semplicemente ti è piaciuto, non esitare a farmelo sapere con un LIKE 👍

Noi ci vediamo al prossimo approfondimento...  Ciao!  😜