IL SENSO DI QUELL'ALA: Una questione di incidenza relativa

C'è chi ritiene sia uno sbaglio, chi il sintomo di un salto di qualità che ormai era stato annunciato, chi si sta ancora chiedendo che senso abbia... Insomma, l'Alfa Romeo C38 non è ancora stata neppure presentata, ma la sua ala anteriore fa già discutere. 

Sicuramente si tratta di un concetto inedito anche se, a guardare bene, anche Toro Rosso e Ferrari sfruttano un concetto simile...  Ma ci arriviamo! 😉 In questo articolo cercherò di fare un po' di chiarezza sull'argomento, fornendo una mia interpretazione [come sempre, ribadisco che non sono un insider, ma uno studente di ingegneria che vede, analizza e condivide un'opinione personale sull'argomento] di questa soluzione e dei principi fisici che ne sono alla base. 

Non è la prima volta che su FR Tecnica si parla di aerodinamica. Abbiamo infatti già visto come interpretare le linee di flusso e quali sono i principi aerodinamici alla base del funzionamento di un'ala.  

Per capire il funzionamento di quest'ala in particolare, però, ho bisogno di introdurre un paio di concetti che non abbiamo mai affrontato. Il primo dei quali è...

Il concetto di STALLO:   

E' il fenomeno fisico che impedisce agli aerei di salire a piombo in verticale.
Si verifica quando l'incidenza di un'ala supera la capacità del profilo di mantenere il flusso attaccato alla sua parte convessa. Quando ciò accade, il flusso d'aria accelerato, che passa lungo la parte convessa del profilo, non ha sufficiente energia per seguirlo e si distacca da quest'ultimo.  Se ciò che hai appena letto ti ha un po' confuso non preoccuparti, il tutto dovrebbe essere più chiaro dopo aver visto quest'immagine:

Nel primo articolo che ti ho citato facevo riferimento all'equazione di Bernoulli, che ci dice come, quando il flusso d'aria è laminare, a delle linee di flusso più ravvicinate corrisponda una velocità maggiore e una pressione minore e, viceversa, a linee più distanziate velocità più basse e pressioni maggiori. L'intero funzionamento dell'ala dipende dalla forza risultante da questa differenza di pressione, ma cosa succede quando il flusso si distacca? 

Dal punto di distacco inizia una zona turbolenta la cui pressione media è sostanzialmente quella ambientale, quindi più bassa di quella che c'è nella zona concava del profilo, ma non tanto bassa quanto quella che troviamo lungo il profilo convesso quando il flusso è ancora laminare.  Il risultato è che l'efficienza dell'ala crolla e il carico generato diventa inferiore a quello che avrebbe un'ala di incidenza minore, ma non in stallo. 

Proprio la volontà di superare questo limite di incidenza dettato dal fenomeno di stallo ha dato i natali ad una soluzione che adesso è praticamente la norma per tutte le auto Formula: l'ala multi-profilo.

Abbiamo detto, infatti, che, quando l'ala stalla, il flusso si distacca perchè non ha abbastanza energia da riuscire a curvare a sufficienza per seguire il profilo convesso dell'ala. 

Nella soluzione multi-profilo, il flusso lungo il lato convesso viene ri-energizzato ad ogni cambio di profilo. Una parte dell'aria ad alta pressione presente sul lato concavo viene infatti accelerata, facendola passare attraverso i sottili canali creati dallo spazio tra un profilo e l'altro, e va ad energizzare il flusso dall'altro lato dell'ala. 

In questo modo il flusso lungo il lato convesso resta attaccato e si riesce ad arrivare ad incidenze impossibili da raggiungere con un'ala dal profilo tradizionale. (Occhio però, questa soluzione non ha eliminato il problema, ha solo spostato più in alto il limite di incidenza dettato dallo stallo!) 

Il secondo fenomeno fisico che mi è necessario mostrarti per capire l'ala oggetto della nostra analisi sono...

Gli effetti aerodinamici di uno pneumatico in rotolamento:

In quest'immagine, ho cercato di riassumere cosa succede al flusso d'aria che investe una ruota scoperta...

Come puoi facilmente capire dalla direzione della velocità del flusso dopo la ruota (Vf), una ruota scoperta generalmente genera lift (portanza). E' possibile arrivare alla stessa conclusione osservando come il punto di massima pressione si trovi davanti alla ruota, in basso. (Quindi, essendo la superficie della ruota cilindrica, la forza risultante sarà radiale e punterà dal punto di stagnazione verso il centro della ruota) 

La grande zona turbolenta che si genera sulla superficie superiore dello pneumatico, come potrai immaginare, è all'origine dell'enorme aumento di resistenza all'avanzamento generato dalle ruote scoperte. (Se una normale berlina ad oggi ha un Cx intorno allo 0.3, una F1 si aggira intorno allo 0.8..  Praticamente è il coefficiente di resistenza aerodinamica di un camion!) 

Quello su cui vorrei, però, focalizzare la tua attenzione è il fatto che, nella zona immediatamente davanti allo pneumatico, il flusso d'aria, prima di arrivare al punto di stagnazione, viene deviato verso il basso a causa del moto rotatorio della gomma stessa. 

Ora considera che l'incidenza di un ala viene definita non in funzione dell'angolo rispetto all'orizzontale (che potremmo chiamare incidenza assoluta), ma dell'angolo rispetto alla direzione iniziale del flusso (incidenza relativa). L'ala anteriore perciò, se ha un profilo ad incidenza assoluta costante lungo tutta la sua larghezza, nella parte che si trova davanti alla ruota avrà un'incidenza relativa notevolmente maggiore. 

Assumendo che nella parte centrale, dove il flusso resta laminare e incidenza assoluta e relativa coincidono, l'ala sia progettata in modo da essere al limite di incidenza dettato dallo stallo; se si mantiene la stessa incidenza assoluta anche davanti allo pneumatico, in quel punto l'ala stallerà e l'efficienza aerodinamica complessiva ne risentirà pesantemente. Alternativamente si dovrà ridurre l'incidenza dell'intera ala per evitare lo stallo, ma in questo modo ci sarebbe, per così dire, del "potenziale inespresso" nella sezione dove il flusso è laminare.

Si potrebbe, però, provare a mantenere la stessa incidenza relativa, riducendo quella assoluta in corrispondenza della gomma. In questo modo, potenzialmente, si potrebbe mantenere l'ala vicino al limite di stallo lungo tutta la sua larghezza e massimizzarne così l'efficienza.
 
Facile...  in teoria!
 
Il problema è che, se il limite di stallo con flusso laminare si può identificare facilmente, davanti alla gomma il flusso è molto meno prevedibile a causa di diversi fattori:
 
1) La gomma non ruota a velocità costante, quindi neppure l'angolo di deviazione del flusso lo è. 

2) La ruota anteriore non è in una posizione fissa rispetto all'ala, c'è da considerare lo sterzo e la corsa della sospensione. 

3) La superficie della gomma non è ne liscia, ne perfettamente cilindrica. Il diametro poi cambia tra gomme da bagnato e da asciutto. 

Insomma, ci sono parecchie variabili in gioco è probabilmente una soluzione di questo tipo porrà dei rischi. Malgrado questo, la soluzione di Alfa Romeo è in realtà un'estremizzazione di un concetto che si è visto anche su Ferrari e Toro Rosso. Personalmente sono felice di vedere che sono proprio le 3 scuderie Italiane (o quasi) a mostrare l'audacia di portare in pista una soluzione rischiosamente innovativa, ma questa è solo una mia opinione personale. 

Per concludere, un effetto aggiuntivo che gioca a favore di questa soluzione è anche la maggiore pulizia del flusso che investe la paratia laterale, la cui curvatura ha il fine di ridurre proprio la pressione nel punto di stagnazione davanti alla gomma, favorendo lo scorrimento del flusso verso l'esterno della ruota. (Il cosidetto "outwash") Un flusso più pulito sulla paratia, infatti, significa più aria che viene direzionata verso l'esterno e meno pressione nel punto di stagnazione. Di conseguenza, meno resistenza all'avanzamento.

Ti lascio con delle foto che ti permetteranno di confrontare le 3 soluzioni e con l'augurio di vedere un mondiale di F1 che dia soddisfazione a tutte e 3 queste scuderie!

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