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AERODINAMICA -PARTE 1

L'aerodinamica con il passare degli anni è diventata, nella progettazione di una monoposto di Formula 1, uno degli elementi fondamendali (forse il fondamentale) per la realizzazione di una macchina vincente. Nella Puntata 1 tratteremmo in generale il concetto di Aerodinamica parlando della sua evoluzione in F.1, di come lavorano e che strumenti usano i team (galleria del vento, CFD, ecc) per cercare di realizzare una vettura aerodinamicamente efficente.Nella Puntata 2 verrà trattato uno degli elementi chiave per realizzare una monoposto aerodinamicamente valida: Il diffusore o estrattore posteriore.Per finire parleremo di un concetto importantissimo per gli aerodinamici: l'effetto suolo.



Una monoposto di F1 è una vettura aerodinamicamente sporca in quanto i regolamenti della FIA impongono che l'abitacolo sia scoperto e le ruote non debbono avere alcuna carenatura,quindi è fondamentale ottenere buoni valori di resistenza aerodinamica (rapporto carico aerodinamico/resistenza aerodinamica).Prima di correre sulla pista la monoposto viena testata nella galleria del vento sottoforma di modello in scala al 40-50% riproducente tutte le parti importanti dal punto di vista aerodinamico della monoposto reale.Durante i test vengono provate diverse configurazioni aerodinamiche al fine di rilevare quella migliore:musetti di diversa forma,diffusori,prese d'aria laterali,ali anteriori e posteriori.A complicare i test sono le inter-relazioni degli effetti aerodinamici tra un elemento e l'altro.Sempre in sede di test in galleria del vento vengono esaminati gli effetti delle raffiche di vento e la turbolenza prodotta dalle ruote anteriori sul resto della monoposto.

I test in galleria del vento non sono limitati al solo periodo di studio di una nuova monoposto ma continuano durante la stagione di gare per far sì che la monoposto abbia sempre migliori prestazioni.Il modello della monoposto è sospeso sopra un tappeto mobile che simula il moto relativo della pista ad una velocità pari a quella del flusso d'aria che investe il modello.Le ruote del modello non sono collegate al modello stesso,ma sono montate su lunghi supporti orizzontali ai lati del tappeto mobile e sono poste in rotazione dal tappeto stesso,questa scelta di montare le ruote è dovuta al fatto di voler misurare la resistenza aerodinamica di ogni ruota indipendentemente dal resto della monoposto.A causa delle grandi dimensioni delle ruote queste sono responsabili di 1/3 della resistenza aerodinamica totale della monoposto,quindi l'aerodinamico deve studiare come ottenere bassi valori di resistenza aerodinamica dalle ruote agendo sull'influenza aerodinamica che le altre parti della vettura hanno su queste.Il supporto verticale collegato al modello è parte di un complesso sistema di misura i cui dati vengono inviati ai computer della sala elaborazione adiacente la galleria del vento,tre sono i parametri di misura più importanti:deportanza,resistenza e bilanciamento aerodinamico.

La spinta aerodinamica dovuta alla depressione che si crea sotto il fondo della monoposto è tale da curvare verso l'alto il tappeto mobile su cui poggia il modello,è indispensabile un sistema capace di tenere teso il tappeto stesso al fine di non alterare i valori di deportanza letti durante le prove in galleria del vento.La resistenza aerodinamica deve essere tenuta a livelli bassi sia per non sacrificare le velocità massime raggiungibili quanto per ridurre il consumo di carburante,tuttavia la ricerca di elevati valori di deportanza porta inevitabilmente ad aumenti di resistenza aerodinamica.

Il bilanciamento aerodinamico riguarda la sensibilità della monoposto alle variazioni di assetto longitudinali e verticali durante il moto.In particolare le variazioni di assetto longitudinali conseguenti le fasi di accelerazione e frenatura provocano uno spostamento del centro di pressione aerodinamico lungo l'asse longitudinale della monoposto creando scompensi aerodinamici all'intera monoposto,durante i test si studiano soluzioni capaci di limitare le variazioni del centro di pressione o quando esse avvengono di minimizzare la sensibilità aerodinamica della monoposto a tali variazioni.Le variazioni di assetto verticali,quelle riguardanti l'altezza del fondo della monoposto rispetto al suolo dovute alle asperità e alle ondulazioni della superficie della pista provocano improvvise variazioni del carico aerodinamico talvolta incontrollabili.Per studiare questi effetti,al modello vengono impartiti spostamenti tramite attuatori capaci di variare l'incidenza lungo l'asse longitudinale e l'altezza rispetto al tappeto mobile della galleria del vento,un computer elaborerà la variazioni di carico aerodinamico,resistenza aerodinamica e di bilanciamento.

Il laser viene utilizzato ampiamente durante i test in galleria del vento sia per visualizzare i flussi turbolenti intorno al modello quanto per misurare accuratamente le velocità locali del flusso senza interferire con esso.Già prima di costruire il modello della monoposto da provare in galleria del vento o per qualunque sua parte viene condotto uno studio tramite software di analisi fluidodinamica i cui risultati verranno confrontati con quelli della galleria del vento al fine di migliorare gli algoritmi di calcolo (metodi CFD=Computational Fluid Dynamics).

Il progetto della McLaren Mp4/16 è stato condotto simulando tutti gli effetti aerodinamici molto prima dell'uso di prototipi in scala, ciò ha permesso ai progettisti McLaren di elaborare e valutare nuove soluzioni in tempi molto brevi grazie a potenti software di CFD messi a punto dalla Computer Associated, di cui vediamo in basso una analisi aerodinamica a livello grafico

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Lo stesso software è impiegato a "rovescio" per analizzare il comportamento aerodinamico della monoposto dopo gara: tutti i dati raccolti dai sensori della Ferrari F 2001 durante la gara (circa 200 Mbyte) vengono caricati sul software Artax realizzato dalla Magneti Marelli il quale visualizzerà ed analizzerà il flusso aerodinamico intorno alla monoposto facendo sì che ogni gara sia come una prova in galleria del vento.

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.

I progettisti di F1 studiano attentamente la distribuzione delle masse nella monoposto perchè da essa dipende il bilanciamento aerodinamico,infatti dovendo inevitabilmente concentrare parte della massa posteriormente dovuta al motore,al serbatoio e alla scatola del cambio,ne consegue che per migliorare le prestazioni in curva è necessario aumentare il carico aerodinamico sull'ala posteriore mentre l'ala anteriore risulta poco carica.Quindi se da un lato per migliorare la distribuzione delle masse è necessario spostare quanto possibile le masse sull'anteriore,risulta anche un miglior bilanciamento aerodinamico perchè occorre che l'ala anteriore generi anch'essa una quota maggiore di carico aerodinamico.

L'ala anteriore è composta da due profili alari,uno inferiore e l'altro superiore più arretrato rispetto al primo,la cui corda è molto ridotta verso la mezzeria per non ostacolare il flusso d'aria diretto verso il fondo della monoposto.I due profili sono attaccati al musetto della monoposto tramite due supporti verticali o ad arco qualora si voglia privilegiare la rigidezza laterale dell'ala.All'estremità dell'ala anteriore sono presenti due paratie verticali che hanno lo scopo di contrastare la resistenza aerodinamica indotta dai vortici d'estremità dovuti all'ala di lunghezza finita e inoltre hanno lo scopo di indirizzare meglio il flusso d'aria che investe le ruote anteriori.

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.

I regolamenti impongono un'altezza minima dell'ala anteriore da terra al fine di impedire eccessivi valori del carico aerodinamico, nel 2000 l'ala anteriore aveva un'altezza minima da terra di 5 cm per tutta l'apertura, per il 2001 le nuove norme FIA hanno imposto un' altezza minima di 5 cm per una porzione di 50 cm d'apertura il resto sale a 10 cm, tuttavia è concesso variare il carico stesso agendo sull'inclinazione dei profili alari.Tutto ciò ha comportato l'introduzione di musetti con ala anteriore ribassata al centro e l'uso di ali più rialzate ha avuto come conseguenza monoposto più sottosterzanti e instabili in frenata.

Sul bordo d'uscita dei profili alari dell'ala anteriore sono montati i nolder o Gurney Flap,si tratta di una striscia in fibra di carbonio disposta lungo tutto il bordo d'uscita capace di aumentare il carico aerodinamico prodotto dall'ala stessa.

Dal 1993 la FIA ha imposto un'altezza minima dal suolo delle paratire laterali a 40 mm,in precedenza era di 25 mm.Nel 1997 la Ferrari introdusse un'ala anteriore capace di flettersi sotto l'azione del carico aerodinamico,tale flessione avvicinando le paratie laterali al suolo creava un effetto sigillante al flusso d'aria che attraversa la parte inferiore dell'ala anteriore determinando una maggiore efficienza aerodinamica dell'ala stessa.Dal 1998 la FIA ha deciso di introdurre un limite alla flessione dell'ala sotto l'azione del carico aerodinamico.

Nel 1994 fecero comparsa i deviatori di flusso laterali,si tratta di superfici aerodinamiche collocate ai lati della monoposto capaci di controllare il flusso in uscita dall'ala anteriore la cui regolarità è necessaria affinchè le superfici aerodinamiche collocate nella zona posteriore della monoposto lavorino efficacemente.Il ruolo dei deviatori di flusso laterali è diventato ancora più importante quando nel 1998 il regolamento FIA ha imposto dimensioni tali da ravvicinare le ruote anteriori al telaio e quindi al flusso controllato da tali superfici,quindi si è richiesto un maggior controllo del flusso turbolento prodotto dalle ruote anteriori che si trovano ora proprio davanti alle prese d'aria dei radiatori.I deviatori di flusso laterali montati sulle moderne monoposto di F1 hanno dimensioni e forme diverse a seconda delle caratteristiche del circuito.Alcuni presentano delle aperture all'interno delle quali sono fatti passare gli elementi delle sospensioni,altri sono bassi e lunghi e possono arrivare a raccordarsi con la parte inferiore delle pance laterali.

Le tendenza di alcune monoposto ad avere un muso rialzato,criterio introdotto dal progettista Harvey Postlethwaite,è dovuta alla capacità di far affluire un maggior flusso d'aria verso il fondo piatto e il diffusore al fine di aumentare la deportanza totale,tuttavia una tale configurazione può comportare una posizione di guida talvolta scomoda oltre a creare un flusso aerodinamico più "sporco" verso la presa d'aria del motore.

L'elemento aerodinamico più importante di una monoposto di F1 è il fondo piatto,realizzato in composito di fibra di carbonio con anima a nido d'ape in alluminio.Si tratta essenzialmente di una superficie piatta con uno scalino centrale longitudinale su cui è riportato una tavola di legno.Nel fondo piatto non è ammesso alcun elemento capace di sigillare lateralmente lo spazio esistente tra il fondo della monoposto e la pista,altrimenti si otterrebbe un effetto suolo ossia una forte depressione sul fondo che consentirebbe alla monoposto di viaggiare a velocità elevate in curva.Questa limitazione è stata introdotta nel 1983 dalla FIA che impedendo ai progettisti di introdurre qualunque superficie laterale capace di sigillare il fondo della monoposto ha lasciato ampia libertà sulla conformazione della parte posteriore del fondo il quale ha una forma geometrica tale da aumentare lo spazio esistente tra il fondo e la pista.Questa conformazione geometrica è studiata in modo da rallentare efficacemente l'aria all'uscita dal fondo piatto,a ciò deve corrispondere un aumento inversamente proporzionale della velocità del flusso in corrispondenza del fondo piatto,cioè dove la sezione è più stretta,di qui una riduzione della pressione rispetto a quella esistente sopra la monoposto,risultato è un carico aerodinamico capace di tenere letteralmente incollata la vettura sulla pista.

Nel 1998 la FIA ha introdotto un ulteriore limitazione relativa alla riduzione di 20 cm della carreggiata,il che ha comportato una riduzione della superficie del fondo piatto,esattamente quella parte di superficie ora occupata dalle ruote posteriori più ravvicinate che ha generato una riduzione del 25% della deportanza del fondo piatto.Ai lati del diffusore centrale sono presenti altri canali di forma divergente capaci anch'essi di rallentare efficacemente e quindi di accelerare a monte il flusso d'aria sotto il fondo della monoposto.Il flusso che investe i canali laterali al diffusore centrale è convogliato da un divisore centrale posto all'inizio del fondo piatto,si tratta di un elemento di raccordo tra il fondo piatto e la parte terminale del muso della monoposto.

Durante i test in galleria del vento vengono provate diverse soluzioni riguardanti il posizionamento dei condotti di scarico del motore nella zona del diffusore,anche se attualmente la soluzione migliore è quella degli scarichi alti introdotta dalla Ferrari nel 1998.Se si sceglie di posizionare i condotti di scarico nella zona del diffusore centrale si deve tener presente che immettendo i gas di scarico ad alta velocità viene meno l'azione del diffusore che è quella di rallentare il flusso d'aria che lo attraversa,quindi la monoposto subisce variazioni di bilanciamento aerodinamico al posteriore variabili a seconda del regime di rotazione del motore.Per studiare gli effetti dei gas di scarico del motore viene fatta passare aria compressa nei condotti del modello della monoposto in galleria del vento,in particolare si cerca di impedire che i gas di scarico investano i bracci delle sospensioni posteriori per evitare forti sollecitazioni termiche.

Un elemento che disturba l'aerodinamica del flusso nel diffusore è la luce di sicurezza posteriore imposta dalla FIA in condizioni di scarsa visibilità,si tratta di un insieme di led luminosi disposti su una superficie quadrata,in galleria del vento si studia la posizione migliore capace di interferire meno col flusso d'aria,in particolare si decide se collocarla con i lati verticali o inclinatia 45°.

Allo scopo di ridurre il livello di depressione ottenibile dalla combinazione fondo piatto-diffusore e quindi ridurre le velocità in curva delle monoposto di F1,agli inizi del 1994 la FIA ha introdotto l'uso di una tavola in legno spessa 10 mm larga 30 cm disposta lungo la parte centrale del fondo della monoposto,la presenza della tavola determina una distanza maggiore tra il fondo piatto ai lati di questa e la pista con conseguente riduzione della deportanza,tanto che se la tavola a fine gara si è consumata più di 1 mm la monoposto è squalificata perchè ha corso con un assetto troppo ribassato.

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Sempre nel 1994 fu introdotta una limitazione riguardante la lunghezza del diffusore e ancora nel 1995 la FIA ha introdotto l'uso del fondo scalinato per ridurre ulteriormente il carico aerodinamico ottenibile dal fondo della monoposto.Essenzialmente la monoposto non è più dotata di un fondo completamente piatto,bensì di un fondo dotato di un gradino centrale alto 5 cm sul quale è posta la tavola di legno alta 10 mm,in sostanza è come avere 3 forndi piatti,uno centrale occupato dalla tavola di legno terminante nel diffusore centrale e due fondi laterali più ampi ma più distanti dal suolo (oltre 6 cm) terminanti con canali laterali al diffusore principale.Tutto ciò ha comportato una riduzione della depressione ottenibile dal fondo della monoposto quindi una minor velocità di percorrenza in curva,ossia un maggior livello di sicurezza in gara.

Le pance laterali all'interno delle quali sono collocati i radiatori devono avere un'altezza tale da non interferire con il flusso d'aria che investe l'ala posteriore proveniente dalle ruote anteriori,quindi contribuiscono indirettamente alla stabilità e all'efficienza aerodinamica della monoposto.Dentro le pance laterali sono sistemati i condotti di alimentazione dei radiatori i quali devono avere una configurazione tale da garantire un flusso aerodinamico non turbolento verso i radiatori,altrimenti questi ultimi non raffredderebbero efficacemente il motore,in questi casi si deve evitare di surdimensionare i radiatori in quanto aumenterebbero il peso e la resistenzaa aerodinamica della monoposto.

La presa d'aria del motore deve essere alimentata da un flusso regolare,non turbolento,affinchè il motore possa lavorare efficacemente.Viene fatto un accurato studio dell'aerodinamica del casco del pilota che si trova vicino alla presa d'aria del motore,non solo per garantire un flusso regolare a valle quanto per ridurre gli effetti dello scuotimento dovuti al buffeting aerodinamico.

La copertura del motore è un altro elemento chiave per l'aerodinamica della parte posteriore della monoposto,deve avere una sezione frontale ristretta per limitare la resistenza aerodinamica e una forma discendentte verso il posteriore,il tutto per non interferire con l'ala posteriore della monoposto.

Sulla parte superiore del cofano motore,ai lati delle pance laterali,sono collocate delle alette o pinne capaci di generare un ulteriore carico aerodinamico e di controllare il flusso che giunge sulle ruote posteriori.La parte inferiore terminale della copertura motore deve raccordarsi col diffusore centrale più stretto,quindi a partire dalla zona delle pance laterali la copertura si restringe in modo regolare tanto che nella vista dall'alto presenta un aspetto a forma di fondo di bottiglia di Coca-Cola.

L'ala posteriore contribuisce a 1/3 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.

Cristiano Sponton

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1 commenti :

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Nino
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17 agosto 2012 23:03 delete

Molto bello Cristiano! Complimenti per il post!
Alcune cose le sapevo già! Le altre non le sapevo :D

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